CN103983397B - 一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于检测技术与传感器技术领域，具体涉及一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法。本发明根据矢量的分解与合成机理，通过测量不同于被测目标矢量的三维分解量，换算出被测方向的三维力学量或失量分量来达到三维量测的目的。依此设计的特殊锥体三维敏感单元实现了三维（纵向、垂向、横向三个方向）力学量测。通过集成本发明的多个椎体结构，采用微纳米技术，可以制备人工力学敏感“皮肤”，也可以用于流体动力学的三维紊动流速特性量测。本发明是三维力学或三维紊动流速量测的一种新手段。

Description

一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法

技术领域

本发明属于检测技术与传感器技术领域，具体涉及一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法。

背景技术

三维力学或流速量测受传感器结构、方法和体积的局限，一直是制约传感器智能化的瓶颈。

对于三维力学或流速测量的研究深度，在很大程度上取决于测试技术或传感器发展的水平,特别是微型化和高灵敏度、高可靠性是该技术的三个难点。其中，微型化的关键是如何实现三维立体检测并获得相应的三维力学特征值。

目前，一维和二维传感器已经有较多的种类，如：各种压阻式压力传感器、悬臂梁应力传感器。通过将两个方向性优良的力敏梁以十字交叉形式，构成二维的力学测量模型已有报道和应用。但是，同步三维力学立体矢量方法的测量没有报道，然而，三维测量技术对于相关领域的技术、装备的发展都有着十分重要的科学意义。例如：机器鱼运动时受水体流场的影响很大，为了正确地输出前进驱动动力和舵机策略，需要感知水流的方向及动力与漩涡的状态，但是，由于鱼的外形和运动体系的约束，很难直接感知上述信息，由此可以通过检测不同向量或矢量的参数，获得所关注的参数。又比如，人工智能机器人的脚，需要了解接触地面的状态，决策驱动力的分配和整体的平衡，也可以通过本发明的机理实现矢量化测量。在测量两相流内的三维紊动流速时，要求在对原流态影响最小的背景下，感知三维的紊动流速，获得准确的紊流内部结构和动力特性。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；根据矢量的分解与合成机理，设计特殊锥体三维敏感单元，通过测量不同于被测目标矢量的三维分解量，实现了三维(纵向、垂向、横向三个方向)力学量测。通过集成本发明的多个椎体结构，采用微纳米技术，可以制备人工力学敏感“皮肤”，也可以在任意流体中实现对三维紊动流速特性的量测。本发明对于各种结构体的三维力学测量也具有重大意义，是一种三维力学或三维紊动流速量测的新手段。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，包括：

一个锥体三维敏感单元：通过一个传感器激励源给锥体三维敏感单元施加一恒流源，用于将在水流检测到的三维受力感应转换为电压输出信号，该锥体三维敏感单元为一个锥体状，包括：受力小球、以及三个用于支撑受力小球的三个支撑杆，三个支撑杆的一端汇集于锥体的顶部，汇集的中心作为将来传感器受力或受水流冲击的受力小球的球心；三个支撑杆的另一端分别固定在与支撑杆杆体垂直安置的对应量测应力的硅力敏梁的一端，三个硅力敏梁的另一端则分别固支在中心支撑固定座上；所述三个硅力敏梁上均设有四个用于感受水流压力的硅压阻片，所述四个硅压阻片组成一个惠斯通全桥测量电路，恒流源给该惠斯通全桥测量电路施加一个恒流电流，输出为变化的电压信号；

一个信号调理单元：包括依次连接的三路差分微弱信号仪器放大电路以及三路滤波电路，用于将锥体三维敏感单元输出的变化的电压信号进行放大和滤波；

一个数据采集与信号处理单元：采用DSP作为微处理器，其内部集成了A\D转换模块，用于滤波后信号的数据采集与转换，转换后的电压信号经过DSP的分析与处理，可计算得出水流的实际流速，即纵向流速u、垂向流速v、横向流速w；

一个计算机及信息处理系统：通过RS485或CAN总线、以及WI-FI模块与数据采集与信号处理单元连接，用于对进行数据采集、分析、计算和处理；

一个固定组件：用于固定锥体三维敏感单元并用于水下检测；

一个电源单元：给整个系统供电。

在上述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为θ，三个硅力敏梁对称分布，相互之间的夹角为120°，并且分别与支撑杆的夹角为90°。

在上述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，所述固定组件包括一个L形且内部为中空的管体，所述锥体三维敏感单元固定在管体底部，管体底部一端开口，且开口端外壁为楔形；嘴套一端外壁与管体底部内壁相适应，且插入管体底部开口端并通过一个设置在嘴套内壁套环将嘴套卡在管体底部开口处；嘴套另一端管壁倾斜设置以至开口逐渐缩小；锥体三维敏感单元的中心支撑固定座固定在套环上，受力小球伸出至嘴套另一端开口外，所述嘴套另一端开口的口径大于受力小球的直径。

在上述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，所述锥体三维敏感单元中每个硅力敏梁中的四个硅压阻片的放置方法是：硅力敏梁以N型硅作为衬底，同时切割成为检测硅梁所需要的形状，作为应力、应变信号敏感检测元件；在此N型硅梁上，扩散P型杂质，形成电阻条，并根据硅梁在传感器受力环境下正负应力区域，布置成惠斯通全桥测量电路，电路中R₁、R₂、R₃、R₄分别对应硅压阻片1、2、3、4的电阻值；因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以硅压阻片贴在距固定端较近的表面，即硅压阻片R₁和R₃平行于硅力敏梁放置于负应变区，R₂和R₄垂直与硅力敏梁放置于正应变区；当硅压阻电桥所在的悬臂硅梁末端受力时，硅压阻片R₂、R₄受平行硅力敏梁的拉力产生正应变，电阻增大；硅压阻片R₁、R₃受到垂直于硅力敏梁两侧向内挤压的作用力而产生负应力，电阻减小。

在上述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，高速数据采集与处理系统还包括同时与微处理器DSP连接的姿态检测单元以及环境监测单元；所述姿态检测单元采用陀螺仪，用于传感器的安置姿态和自身振动检测；所述环境监测单元包括液体温度传感器、大气温度传感器、以及设置在管体的壳体外壁的系统自身温度传感器，该环境监测单元用于检测传感器所在被测流体的环境。

一种基于力学矢量分解与合成机理的三维传感量测方法，其特征在于，基于以下定义：三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为θ，水流作用于受力小球的力分解到支撑杆1、2、3上的力分别为f₁、f₂、f₃，其方向沿支撑杆1、2、3的方向；通过失量的分解与合成，可得在x、y、z方向的分量；在x方向的分量：f_x＝(f₁+f₂cos60°-f₃cos60°)sinθ

在y方向的分量：f_y＝(f₂-f₃)sinθcos60°

在z方向的分量：f_z＝(f₁+f₂+f₃)cosθ

由于计算可得瞬时流速的大小为：(其中，ρ为被测流体的密度，s为小流作用于小球的受力面积)；

则：水流对应的纵向流速u、垂向流速v、横向流速w分别为：

$u=v_z=\left|\stackrel{\→}{v}\right|\frac{f_z}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}}$

$v=v_x=\left|\stackrel{\→}{v}\right|\frac{f_x}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}}$

$w=v_y=\left|\stackrel{\→}{v}\right|\frac{f_y}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}};$

包括以下步骤：

步骤1，水流流过锥体三维敏感单元，锥体三维敏感单元受到来自高精度恒流源的激励，感应被测流体三个方向的流速u、v、w在锥体三维结构x、y、z三个方向产生的应变力，通过测量电桥上硅力敏梁的应变而转换为电信号此时的信号比较微弱，需要通过三路差分微弱信号仪器放大电路和滤波电路进行信号的调理，然后送入数据采集与信号处理单元进行数据采集、分析、计算和处理；

步骤2，所有的数据和测量结果通过DSP的处理和分析，通过RS485或CAN总线、以及WIFI模块完成与后台计算机及信息处理系统完成数据传输和通信，使得该传感器一方面可以与计算机通讯构成数据库为基础的紊流测量和分析系统；还包含一个WIFI模块完成无线通讯，通过WIFI和手机App程序，实现移动手机的参数设置和数据快速查看；全部量测系统的电路嵌在传感器的金属空腔内，做到完全屏蔽，确保传感器达到最高的信噪比。

在上述的一种基于力学矢量分解与合成机理的三维传感量测方法，所述步骤2中，通过变化的电压信号计算得到支撑杆1、2、3上的力f₁、f₂、f₃的具体方法是：定义四个用于感受水流压力的硅压阻片对应的电阻值分别是:R₁、R₂、R₃、R₄，恒流源的电流值是I_a，F所需要获得的硅压阻片受到外力,根据惠斯通电桥计算方法可得出输出电压U_O；

$U_O=\frac{R_2{R}_4-R_1{R}_3}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a$

当电桥平衡时电阻初值满足:故有：

则 $U_O=\frac{4\mathrm{\μ}{R}_2^0{R}_4^0}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a\·F$ 或 $U_O=\frac{4\mathrm{\μ}{R}_1^0{R}_3^0}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a\·F$

其中，K是硅压阻片的应变灵敏系数，S为硅压阻片的受力面积，E为弹性模量。

因此，本发明具有如下优点：1.根据矢量的分解与合成机理，设计特殊锥体三维敏感单元，通过测量不同于被测目标矢量的三维分解量，实现了三维(纵向、垂向、横向三个方向)力学量测；2.在任意流体中可以实现对三维紊动流速特性的量测；3.通过集成本发明的多个椎体结构，采用微纳米技术，可以制备人工力学敏感“皮肤”；4.对于各种结构体的三维力学测量也具有重大意义。

附图说明

图1为本发明设计的锥体三维敏感单元的物理结构。

图2为本发明设计的锥体三维结构流速测量的受力分解示意图。

图3为本发明所用到的硅力敏梁结构及应力测量原理示意图。

图4为本发明所用到的惠斯通全桥测量电路。

图5为本发明所设计传感器三维敏感单元结构图。

图6为本发明所用到的传感器量测系统框图。

图7为本发明设计的三维紊动流速传感器总体结构图。

图8为本发明设计的三维紊动流速传感器外观图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

下面结合以上附图和实施例，对上述发明内容的原理、实现方法、实施过程进行具体说明。

一、三维锥体结构力的失量分解与合成原理。

根据三维力学模型的矢量特征，需要在对被测流场扰动最小的条件下，构建和设计测量结构模型。利用流体动力符合线性矢量的特性，通过三角锥体结构，作为三维力学检测核心敏感单元，设计如图1所示。锥体的三个受力杆的一头汇集于锥体的顶部，汇集的中心作为传感器水流受力球体(3mm直径)的球心，三个支撑杆的另一边分别固定在与杆体垂直安置的对应量测应力的硅力敏梁的末端，三个硅力敏梁的另一端则分别固支在中心支撑固定座上，每个应力测量梁都由一个应力敏感的压阻悬臂梁实现，受力球体设计安置在传感器壳体的外部，直接正面迎接被测水流，由于该测量球置于传感器壳体的最前端，所以对被测水的扰动最小。

当传感器的受力小球受到水流作用后，通过支撑传力杆传递到应变硅电阻的弹性硅梁，进而将对应的流速矢量值转换成对应的电信号，反映随时间变化的水流紊动流速的原理。

三维紊动流速测量的受力分解示意如图2所示，三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为θ，三个硅力敏梁对称分布，相互之间的夹角为120°，并且分别与支撑杆的夹角为90°。水流作用于受力小球的力依据矢量分解与合成原理，分解到支撑杆1、2、3上的力分别为f₁、f₂、f₃，其方向沿支撑杆1、2、3的方向，每个支撑杆沿x、y、z方向(x、y、z方向定义如图2所示)的力又可分解如下：

支撑杆1力的分解：

$f_x^1=f_1\sin \mathrm{\θ},f_y^1=0,f_z^1=f_1\cos \mathrm{\θ}$

支撑杆2力的分解：

支撑杆3力的分解：

由此可得，在x、y、z方向的分量为：

在x方向的分量：f_x＝(f₁+f₂cos60°-f₃cos60°)sinθ

在y方向的分量：f_y＝(f₂-f₃)sinθcos60°

在z方向的分量：f_z＝(f₁+f₂+f₃)cosθ

由流体力学可知，流体的动力与流速成平方关系，可以表示为：

$f\∝{\left|\stackrel{\→}{v}\right|}^2$ (公式1)

综合上述分析和公式1，可以获得瞬时流速的大小为：

$\left|\stackrel{\→}{v}\right|=k_m\sqrt[4]{f_x^2+f_y^2+f_z^2}$ (公式2)

公式2中，ρ为被测流体的密度，s为小流作用于小球的受力面积，k_m实际值可通过实验标定得出，本发明在传感器结构设计中，θ＝10°。

的矢量方向与的方向一致，由此可得，对应的纵向流速、垂向流速、横向流速u、v、w分别为：

$u=v_z=\left|\stackrel{\→}{v}\right|\frac{f_z}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}}$ (公式3)

$v=v_x=\left|\stackrel{\→}{v}\right|\frac{f_x}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}}$ (公式4)

$w=v_y=\left|\stackrel{\→}{v}\right|\frac{f_y}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}}$ (公式5)

根据公式3、公式4和公式5，测量计算可得一时间段的流速序列{u}、{v}、{w}，对此时间序列进行计算和处理，即可得各个方向的平均流速和紊动流速。

二、锥体结构内硅力敏梁的应变测量原理。

敏感结构单元设计中，将以N型硅作为衬底，同时切割成为检测硅力敏梁所需要的形状，作为应力、应变信号敏感元件。在此N型硅梁上，扩散P型杂质，形成电阻条，并根据硅力敏梁在传感器受力环境下正负应力区域，布置成全桥，构成传感器的检测元件，该元件是一个梁式的，一个自由度的振动系统。当水流的动能通过锥体的细传力杆作用到弹性元件上时，转换成为势能f_x，弹性元件承受应力并发生应变，经过力敏单元转换成与mv²成比例的信号。当角位移θ甚微时，外加作用力与θ成线性关系。由于采用的弹性元件的刚度很大，所以，在测量时，产生的角位移实际上很小，因而振动元件的振动方程可简化为如下的线性微分方程：

$\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+2D\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_{0}x=\frac{F}{m}=f$

公式6中，m为振动系统的质量，h为阻力系数，K为弹性系数，为系统的自由振动角频率，为衰减系数。

虽然水流紊动不是周期性的，但在任何一个较长的时域内，在水流速度的平均流速上下脉动的脉动流速之和应为零。在这个区域内的流速的脉动部分可以认为是由许多个谐波所组成，表示如下：

(公式7)

公式7中，ω_i为作用到传感器上的水流的角频率，n为水流中不可忽略的高次谐波成分的次数。在实验室水槽试验的情况下，水流的频谱通常认定为100Hz以下。在含沙水流中，其频率范围随着含沙量的加大而愈向频率低的区域偏移。由此可得振动方程的通解形式为：

$x\left(t\right)=e^{-\mathrm{Dt}}(C_1{e}^{t\sqrt{D^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^2}}+C_2{e}^{-t\sqrt{D^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^2}})+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\sin ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\φ}}_i)$ (公式8)

公式8中，第一项表示系统的衰减自由振动，在施测后迅速衰减到零；第二项表示在外力作用下，系统所产生的受迫振动。在线性系统中，其变化规律与外加作用力一致。适当地选择阻尼，可使相位移与频率成比例，因而不致产生相位失真。

当球体前端自由承受水流的冲击和压力时，通过感知可将水流和紊流的应力通过锥体的三个支架，传递到支架脚部的硅压阻应力敏感梁，硅力敏梁实现同步实时检测水流瞬时流速冲击的应力与应变，硅力敏梁应力测量原理如图3所示。

通过扩散技术，在硅梁上集成应力敏感硅压阻片全桥，硅力敏梁上的4个硅压阻片构成如图4所示的惠斯通全桥测量电路。硅力敏梁受力产生应变和应力，根据硅压阻片应力电桥设计原理，硅压阻片电桥所在的悬臂硅梁末端受力时，压阻片R₂、R₄受平行硅力敏梁的拉力产生正应变，电阻增大；压阻片R₁、R₃受到垂直于硅力敏梁两侧向内挤压的作用力而产生负应力，电阻减小。因此，从图4所示的电桥图可以得出，硅力敏梁所受作用力越大，应力程度越大，输出电压U₀就越大。

通过变化的电压信号计算得到支撑杆1、2、3上的力f₁、f₂、f₃的具体方法是：定义四个用于感受水流压力的硅压阻片对应的电阻值分别是:R₁、R₂、R₃、R₄，恒流源的电流值是I_a，根据惠斯通电桥计算方法可得出输出电压U_O。

$U_O=\frac{R_2{R}_4-R_1{R}_3}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a$ (公式9)

当硅压阻片受到外力F产生应变时，其应变ε与力F的关系可表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{F}{\mathrm{SE}}$ (公式10)

公式10中，S为硅压阻片的受力面积，E为弹性模量(常量)；

由于硅压阻片的应变灵敏系数K和电阻初值R⁰相对变化的关系可表示为：

(其中，ΔR为电阻变化值)(公式11)

设硅压阻片经外力F作用产生应变后的阻值为R_F，根据公式10和公式11计算得出：

$R_F=(1+\frac{K}{\mathrm{SE}}F)R_0$ (公式12)

由于为常量，为简化计算，设那么R_F又可表示为：

R_F＝(1+μF)R₀(公式13)

在惠斯通电桥计算中，R₁、R₂、R₃、R₄在受到外力F作用时，应变关系满足公式13。因为R₁、R₃产生负应变，R₂、R₄产生正应变，即：

$\left.\begin{array}{c}{R}_{1F}=(1-\mathrm{\μF})R_1^0\\ R_{2F}=(1+\mathrm{\μF})R_2^0\\ R_{3F}=(1-\mathrm{\μF})R_3^0\\ R_{4F}=(1+\mathrm{\μF})R_4^0\end{array}\right\}$ (公式14)

当未发生应变时，电桥平衡时电阻初值满足:

$R_1^0{R}_3^0=R_2^0{R}_4^0$ (公式15)

把公式(14)和公式(15)代入公式9，可得：

$U_O=\frac{4\mathrm{\μ}{R}_2^0{R}_4^0}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a\·F$ 或 $U_O=\frac{4\mathrm{\μ}{R}_1^0{R}_3^0}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a\·F$ (公式16)

通过公式16，可以计算得出支撑杆1、2、3上的力f₁、f₂、f₃。

三个硅力敏梁的信号经过调理电路、滤波电路、AD转换、数据采集与转化、数据处理和分析，获得对应三个硅力敏梁空间方向的流体力学特征对应信号。由于三个硅力敏梁的方向与欲检测的水流的u、v、w三个方向不同，故该技术的关键之一，是将所测得的力学量与对应的三维流速矢量之间的空间转换。

三、锥体三维敏感单元的设计。

以失量转换原理为基础而设计的锥体三维敏感结构单元，需要转换的信号有u、v、w三个方向的对应流体流速作用力和大气温度、被测流体温度、传感器体内温度等。敏感单元的物理结构设计图如上文中图1所示，锥体顶部安置受力小球(直径3mm)，三个支撑杆的底端垂直连接到悬臂硅力敏梁，对应三个空间上转换的应力测量，经过硅力敏梁的应变转换为电信号，达到量测小球所受三维力学矢量的目的。

四、本发明涉及的整个量测系统设计。

三维紊动流速传感器的量测系统主要由电源单元、传感器激励源、锥体三维敏感单元、信号调理单元、数据采集与信号处理单元、环境检测单元、姿态检测单元和计算机及信息处理系统构成。量测系统的工作原理示意如图6所示。电源单元主要为系统各个子模块单元进行供电，锥体三维敏感单元受到来自高精度恒流源的激励，感应被测流体三个方向的流速u、v、w在锥体三维结构x、y、z三个方向产生的应变力，通过测量电桥上硅力敏梁的应变而转换为电信号，此时的信号比较微弱，需要通过三路差分微弱信号仪器放大电路和滤波电路进行信号的调理，然后送入数据采集与信号处理单元进行数据采集、分析、计算和处理。该单元是量测系统的核心，采用体积小、微功耗、功能强的DSP芯片作为微处理器，完成三维紊动流速传感器所需的信号采集和处理。同时，DSP处理单元还控制环境检测单元和姿态检测单元，完成被测流体环境的温度测量和各种位置姿态测量。所有的数据和测量结果通过DSP的处理和分析，通过RS485(或CAN总线)、WIFI完成与后台计算机及信息处理系统完成数据传输和通信，使得该传感器一方面可以与计算机通讯构成数据库为基础的紊流测量和分析系统。另外，本测量系统中，设计嵌入WIFI模块完成无线通讯，通过WIFI和手机App程序，实现移动手机的参数设置和数据快速查看。全部量测系统的电路嵌在传感器的金属空腔内，做到完全屏蔽，确保传感器达到最高的信噪比。

五、本发明涉及的整个三维紊动流速传感器的结构设计。

依据既定的对应三维紊动流速的特点和特征，设计特殊的锥体三锥结构作为传感器的敏感单元，通过现代嵌入微处理技术，完成矢量转化，达到同步化、数字化、智能化检测三维流速的目的。采用矢量变换作为传感器研究的新方法来设计传感器的总体结构，设计中采用锥体三锥结构作为传感器的敏感单元，该单元与传感器的主支撑体衔接，构成可完成不同深度测量的三维紊动流速传感器。所设计传感器的整体结构如图7所示，三维紊动流速传感器外观图如图8所示。从图8中可看出，传感器的主体支撑采用流线的镰刀型结构，尽可能减少对测量点流场的扰动，测量受力小球置于传感器的最前端，直接承受被测水流的作用力。

锥体三维结构具有体积小、稳定性好、力学模型满足矢量分解与合成的需求的特点。在该力学结构模型的基础上，除受力小球安置在传感器的最前端，迎接水流的作用力外，敏感单元(包括硅力敏梁和支撑传力杆)都集成在壳体之内，实现防水和阻止其他方面的力作用在硅力敏梁上产生的干扰。为了绝缘和不影响力的传导，在壳体腔体内将注入改性的柔性硅胶，既能保障可靠量测，也能防止泥沙和水流冲刷敏感单元。

三维紊动流速传感器数据采集与信号处理单元的设计，主要包括DSP多通道高速数据采集，频谱分析处理，数字滤波，矢量转化数字，温度自动补偿，量测电桥激励电源，微弱信号的放大、调理和采样，A/D转化、数据存储等电路。通过RS-485总线(或CAU总线)、WIFI进行数据通信，实现多个紊动流速传感器的同步数据采集、处理、输出、分析，为构建分布式沿试验水槽轴线分布和沿截面分布立体紊动流速检测及分析奠定基础。

六、技术性能指标。

本发明研制的三维紊动流速量测样机系统，将达到如下指标：

(1)测量对象：被测流体中空间某点的三维紊动流速、水体温度等；

(2)适用性：清水、低含沙水和高含沙水(最大含沙量可达到300kg/m³)；

(3)使用环境温度：0～55oC；

(4)测量水深：<50cm水槽；

(5)分辨率：1cm/s；

(6)量程：<5m/s；

(7)仪器性能稳定，重复性优于1％；

(8)可现场快速测出各点流速沿水深的分布图形，使研究者能及时判断水流流型。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，包括：

一个椎体三维敏感单元：通过一个传感器激励源给椎体三维敏感单元施加一恒流源，用于将在水流检测到的三维受力感应转换为电压输出信号，该椎体三维敏感单元为一个椎体状，包括：受力小球、以及三个用于支撑受力小球的三个支撑杆，三个支撑杆的一端汇集于锥体的顶部，汇集的中心作为将来传感器受力或受水流冲击的受力小球的球心；三个支撑杆的另一端分别固定在与支撑杆杆体垂直安置的对应量测应力的硅力敏梁的一端，三个硅力敏梁的另一端则分别固支在中心支撑固定座上；所述三个硅力敏梁上均设有四个用于感受水流压力的硅压阻片，所述四个硅压阻片组成一个惠斯通全桥测量电路，恒流源给该惠斯通全桥测量电路施加一个恒流电流，输出为变化的电压信号；

一个信号调理单元：包括依次连接的三路差分微弱信号仪器放大电路以及三路滤波电路，用于将椎体三维敏感单元输出的变化的电压信号进行放大和滤波；

一个数据采集与信号处理单元：采用DSP作为微处理器，其内部集成了A\D转换模块，用于滤波后信号的数据采集与转换，转换后的电压信号经过DSP的分析与处理，可计算得出水流的实际流速，即纵向流速u、垂向流速v、横向流速w；

一个计算机及信息处理系统：通过RS485或CAN总线、以及WI-FI模块与数据采集与信号处理单元连接，用于进行数据采集、分析、计算和处理；

一个固定组件：用于固定椎体三维敏感单元并用于水下检测；

一个电源单元：给整个系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为θ，三个硅力敏梁对称分布，相互之间的夹角为120°，并且分别与支撑杆的夹角为90°。

3.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，所述固定组件包括一个L形且内部为中空的管体，所述椎体三维敏感单元固定在管体底部，管体底部一端开口，且开口端外壁为楔形；嘴套一端外壁与管体底部内壁相适应，且插入管体底部开口端并通过一个设置在嘴套内壁套环将嘴套卡在管体底部开口处；嘴套另一端管壁倾斜设置以至开口逐渐缩小；椎体三维敏感单元的中心支撑固定座固定在套环上，受力小球伸出至嘴套另一端开口外，所述嘴套另一端开口的口径大于受力小球的直径。

4.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，所述椎体三维敏感单元中每个硅力敏梁中的四个硅压阻片的放置方法是：硅力敏梁以N型硅作为衬底，同时切割成为检测硅梁所需要的形状，作为应力、应变信号敏感检测元件；在此N型硅梁上，扩散P型杂质，形成电阻条，并根据硅梁在传感器受力环境下正负应力区域，布置成惠斯通全桥测量电路，电路中R₁、R₂、R₃、R₄分别对应硅压阻片1、2、3、4的电阻值；因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以硅压阻片贴在距固定端较近的表面，即硅压阻片R₁和R₃平行于硅力敏梁放置于负应变区，R₂和R₄垂直与硅力敏梁放置于正应变区；当硅压阻电桥所在的悬臂硅梁末端受力时，硅压阻片R₂、R₄受平行硅力敏梁的拉力产生正应变，电阻增大；硅压阻片R₁、R₃受到垂直于硅力敏梁两侧向内挤压的作用力而产生负应力，电阻减小。

5.根据权利要求3所述的一种基于矢量分解与合成机理三维传感量测系统，其特征在于，数据采集与信号处理单元还包括同时与微处理器DSP连接的姿态检测单元以及环境监测单元；所述姿态检测单元采用陀螺仪，用于传感器的安置姿态和自身振动检测；所述环境监测单元包括液体温度传感器、大气温度传感器、以及设置在管体的壳体外壁的系统自身温度传感器，该环境监测单元用于检测传感器所在被测流体的环境。

6.一种利用权利要求1所述的基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统的量测方法，其特征在于，基于以下定义：三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为θ，水流作用于受力小球的力分解到支撑杆1、2、3上的力分别为f₁、f₂、f₃，其方向沿支撑杆1、2、3的方向；通过失量的分解与合成，可得在x、y、z方向的分量；

在x方向的分量：f_x＝(f₁+f₂cos60°-f₃cos60°)sinθ

在y方向的分量：f_y＝(f₂-f₃)sinθcos60°

在z方向的分量：f_z＝(f₁+f₂+f₃)cosθ

由于计算可得瞬时流速的大小为：其中，ρ为被测流体的密度，s为水流作用于小球的受力面积；

则：水流对应的纵向流速u、垂向流速v、横向流速w分别为：

$u=v_z=\left|\stackrel{\&RightArrow;}{v}\right|\frac{f_z}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}}$

$v=v_x=\left|\stackrel{\&RightArrow;}{v}\right|\frac{f_x}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}}$

$w=v_y=\left|\stackrel{\&RightArrow;}{v}\right|\frac{f_y}{\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2}};$

包括以下步骤：

步骤1，水流流过椎体三维敏感单元，锥体三维敏感单元受到来自高精度恒流源的激励，感应被测流体三个方向的流速u、v、w在锥体三维结构x、y、z三个方向产生的应变力，通过测量电桥上硅力敏梁的应变而转换为电信号，此时的信号比较微弱，需要通过三路差分微弱信号仪器放大电路和滤波电路进行信号的调理，然后送入数据采集与信号处理单元进行数据采集、分析、计算和处理；

步骤2，所有的数据和测量结果通过DSP的处理和分析，通过RS485或CAN总线、以及WIFI模块完成与后台计算机及信息处理系统完成数据传输和通信，使得该传感器一方面可以与计算机通讯构成数据库为基础的紊流测量和分析系统；另一方面还能够通过WIFI和手机App程序，实现移动手机的参数设置和数据快速查看。

7.根据权利要求6所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统的量测方法，其特征在于，所述步骤2中，通过变化的电压信号计算得到支撑杆1、2、3上的力f₁、f₂、f₃的具体方法是：定义四个用于感受水流压力的硅压阻片对应的电阻值分别是:R₁、R₂、R₃、R₄，恒流源的电流值是I_a，F所需要获得的硅压阻片受到外力,根据惠斯通电桥计算方法可得出输出电压U_O；

$U_O=\frac{R_2{R}_4-R_1{R}_3}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a;$

当电桥平衡时电阻初值满足:故有：

$U_O=\frac{4{\mathrm{\&mu;R}}_2^0{R}_4^0}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a\&CenterDot;F$ 或 $U_O=\frac{4{\mathrm{\&mu;R}}_1^0{R}_3^0}{R_1+R_2+R_3+R_4}{I}_a\&CenterDot;F;$

其中，K是硅压阻片的应变灵敏系数，S为硅压阻片的受力面积，E为弹性模量。