CN107209202A - 用于确定流体的流动的至少一个参数的设备和方法 - Google Patents

用于确定流体的流动的至少一个参数的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定流体的流动的至少一个参数的设备，所述设备具有：能弹性变形的悬臂(23，28，33，42，47)，所述悬臂具有至少一个用于所述流体的迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)；和用于测量所述悬臂(23，28，33，42，47)的变形的测量装置(16)，其中所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的至少一个部段相对于所述流体的主迎流方向(25)倾斜地和/或弯曲地定向，所述悬臂(23，28，33，42，47)在自由的端部上具有迎流结构(24，30，34，43，48)，并且所述迎流结构(24，30，34，43，48)具有至少一个用于所述流体的所述迎流面(31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)。为了能够以较高的分辨率，尤其以较高的角度分辨率确定流体流动的至少一个待确定的参数，设备(10)的特征在于，所述悬臂(23，28，33，42，47)在背离所述迎流结构(24，30，34，43，48)的一侧上具有反射面(27)，并且所述测量装置(16)具有激光器(17)，其中所述激光器(17)的射束轴线(26)指向所述悬臂(23，28，33，42，47)的所述反射面(27)。

Description

用于确定流体的流动的至少一个参数的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定流体的流动的至少一个参数的设备，所述设备具有：可弹性变形的悬臂，所述悬臂具有至少一个用于流体的迎流面；和用于测量悬臂的变形的测量装置，其中迎流面的至少一个部段相对于流体的主迎流方向倾斜地和/或弯曲地定向，所述悬臂在自由的端部上具有迎流结构，并且迎流结构具有所述至少一个用于流体的迎流面。此外，本发明涉及一种用于确定流体的流动的至少一个参数，尤其借助于根据本发明的设备确定流体的流动的至少一个参数的方法，其中将可弹性变形的悬臂借助于至少一个用于流体的迎流面引入到流动中，并且其中借助于测量装置测量悬臂由于流动的作用于迎流面的力引起的变形，其中迎流面的至少一个部段相对于流体的主迎流方面倾斜地和/或弯曲地定向，悬臂在自由的端部上具有迎流结构，并且迎流结构具有所述至少一个用于流体的迎流面。
背景技术
这种设备和这种方法在FR 2 764 066 A1中公开。
此外，从科学论文“New anemometer for offshore use”(J.Puczylowski,J.Peinke和M.Journal of Physics:Conference Series 318(2011)072015)中公开了一种设备和一种方法，其中迎流面的部段相对于流体的主迎流方向并无倾斜和/或弯曲的定向。
借助于相应的设备可确定流体流动的参数，尤其流体的速度和/或流动方向。对此，悬臂能够遭受流动，其中由于运动的流体而使力作用到悬臂上。该力引起悬臂的变形，尤其引起弯曲和/或扭曲。流体的所期望的信息，尤其关于速度和/或迎角的信息，包含在所述变形中。该信息能够借助于不同的、已经可用的方法来确定。优选地，使用所谓的激光指示器-原理，所述激光指示器-原理尤其在扫描原子力显微镜中是已知的。
发明内容
在已知的设备中不利的是，角度分辨率是受限的。因此，本发明基于下述目的：改进开头提出类型的设备和方法，使得可以以较高的分辨率，尤其较高的角度分辨率确定流体流动的至少一个待确定的参数。
本发明所基于的目的借助于开头所述类型的设备或方法来实现，在该设备中或在该方法中悬臂在背离迎流结构的一侧上具有反射面并且测量装置具有激光器，其中激光器的射束轴线指向悬臂的反射面。
在此有利的是，由于迎流面的至少一个部段相对于流体的主迎流方面的倾斜的和/或弯曲的设置，关于流体流动的至少一个待确定的参数可实现较高的角度分辨率。尤其是，可以以较高的角度分辨率确定流体的速度和/或流动方向。由此，能够更好地检测并且解析所述流动的相对应流体的主迎流方向存在的横向分量或横截分量。
在本发明的范围中，流体的主迎流方向能够作为流体的中间的和/或平均的流动方向来预设。尤其是，流体的主迎流方向关联有0°的迎流角。流体的待确定的流动方向和/或迎流角可以分布在关于迎流角，尤其围绕流体的0°的迎流角和/或主迎流方向从-45°至+45°的角度范围中，特别优选从-90°至+90°的角度范围中。优选地，所述流体的待确定的流动方向和/或迎流角均匀地、镜像对称地和/或均等地围绕流体的主迎流方向分布。
根据另一实施方式，迎流面的弯曲部的切线和/或平面倾斜于流体的主迎流方向定向。尤其是，迎流面的弯曲部的多个切线倾斜于流体的主迎流方向定向。由于迎流面的平面倾斜于主迎流方向设置和/或迎流面的弯曲部的至少一个切线倾斜于主迎流方向设置，可实现悬臂的改进的响应特性。优选地，针对流体流动横向于，尤其垂直于流体的主迎流方向的横向分量和/或横截分量，产生改进的响应特性。优选地，借助于迎流面相对于主迎流方向的倾斜的和/或弯曲的定向，可实现悬臂更强的扭曲。迎流面的弯曲部的切线和/或平面能够倾斜于所述设备的纵轴线定向。优选地，在本发明的范围中，将迎流面的至少一个部段的倾斜的定向理解为：迎流面的弯曲部的切线和/或平面关于主迎流方向的定向具有小于90°的角度，尤其具有在40°至50°的范围中的角度，特别优选45°的角度。
根据一个改进方案，测量装置具有激光器。迎流面的弯曲部的切线和/或平面能够倾斜于激光器的射束或者射束轴线定向。测量装置能够具有用于激光器的反射面。尤其是，反射面的用于反射激光射束的平面倾斜于激光器的射束轴线定向。优选地，激光器的射束轴线指向悬臂的反射面。激光器的射束轴线能够横向于和/或垂直于反射面的该平面，尤其在悬臂未承受负荷的状态中。优选地，在悬臂未承受负荷的状态中，没有流体流动的力作用于悬臂。尤其是，反射面设置在悬臂的背离迎流面的一侧上。优选地，反射面设置在悬臂的自由的端部的区域中。尤其是，反射面具有反射激光射束的材料。反射面例如能够由铝形成。
迎流面的至少一个部段、至少一个迎流面的平面和/或至少一个迎流面的弯曲部的切线，能够以从35°至55°的范围中的角度，尤其以从40°至50°的范围中的角度，优选以45°的角度倾斜于流体的主迎流方向定向。替选地或者附加地，相应的定向能够倾斜于所述设备的纵轴线和/或倾斜于测量装置的激光器的射束轴线定向。
根据另一实施方式，悬臂关联有承载结构。悬臂能够固定在承载结构上和/或固定在设置在承载结构上的传感器元件上。优选地，悬臂和承载结构形成传感器元件。传感器元件、悬臂和/或承载结构能够由硅或者不锈钢制成。优选地，悬臂杆状地和/或板状地构成。尤其是，悬臂的迎流面矩形地构成。悬臂能够通过第一端部固定在承载结构上。以承载结构为出发点，悬臂能够延伸远离承载结构。尤其是，悬臂具有背离承载结构的自由的端部。悬臂能够具有最多2mm的长度，尤其在100μm至250μm的范围中的长度。优选地，悬臂具有最多0.5mm的宽度，尤其在20μm至60μm的范围中的宽度。特别优选地，悬臂具有最多30μm的厚度，尤其在1μm至3μm的范围中的厚度。借助于悬臂，能够确定水平的和/或横截的速度分量和/或迎流角分量。尤其是，可实现在1mm的范围中的空间分辨率和/或在1kHz的范围中的时间分辨率和/或更高的空间分辨率和/或更高的时间分辨率。尤其是，速度分量和/或角度分量可在小于1mm的尺度上和/或在超过50kHz的频率范围中被确定。
根据一个改进方案，悬臂在自由的端部上具有迎流结构。优选地，悬臂和/或迎流结构具有流体动力学的轮廓。由此能够改进悬臂在变形，尤其弯曲和/或扭曲方面的响应特性。尤其是，流体动力学的轮廓构成用于实现在借助于流体进行绕流时的动力学的升力。由此能够在悬臂的和/或迎流结构的背离迎流面的一侧上实现抽吸作用。在迎流面的区域中能够实现压缩作用。由此能够使更大的力作用到悬臂上以使悬臂变形。
优选地，迎流结构具有至少一个用于流体的迎流面。尤其是，悬臂能够具有第一迎流面而迎流结构能够具有至少一个另外的迎流面。迎流结构能够具有多个另外的迎流面，尤其两个、三个、四个或者更多个另外的迎流面。优选地，至少一个另外的迎流面从第一迎流面起延伸远离。尤其是，悬臂的第一迎流面的部段和/或平面倾斜于或者垂直于迎流结构的至少一个另外的迎流面的弯曲部的切线、部段和/或平面定向。由此能够改善悬臂在由于流体流动的作用于第一迎流面和/或至少一个另外的迎流面的力引起的悬臂扭曲方面的响应特性。
迎流结构能够由光刻胶，优选SU0-8制成。迎流结构能够具有最多0.5mm的高度，尤其在20μm至60μm的范围中的高度。优选地，迎流结构具有最多0.5mm的长度，尤其在20μm至60μm的范围中的长度。特别优选的是，迎流结构具有最多50μm的厚度，尤其在6μm至12μm的范围中的厚度。
根据另一实施方式，迎流结构基本上V形地构成。在此，迎流结构能够可选地具有两个侧边或者构成为楔形的结构。优选地，悬臂具有第一迎流面，并且V形的迎流结构从第一迎流面起延伸远离。尤其是，迎流结构朝向流体的主迎流方向。优选地，迎流面的部段、第一迎流面和/或至少一个另外的迎流面朝向流体的主迎流方向。V形的迎流结构能够背离第一迎流方向漏斗状地敞开。替选地，V形的迎流结构能够具有斜坡、楔形部、斜坡状的和/或楔形的背离第一迎流面的尖端或者尖头。
根据一个改进方案，测量装置具有分束器-板和/或分束器-膜片。优选地，相应的分束器设置在激光器的射束的光路中。尤其是，这种分束器用于使在反射面上反射的射束朝向检测器偏转和/或转向。优选地，测量装置具有尤其二维的、位置敏感的检测器，所述检测器用于检测激光器的从悬臂和/或反射面反射的射束的位置。优选地，分束器构成为薄膜分束器。借助于这种分束器，可避免所谓的重影。在存在重影时，产生所不期望的多次反射。位置敏感的检测器或者位置灵敏的检测器(PSD)实现对被反射的射束在检测器的二维的测量面上的射入点的确定。基于射入点在检测器上的位置，可推测悬臂的扭曲和/或弯曲。经由这些信息能够推测流体的速度、流动方向和/或迎流角。
依照根据本发明的方法的另一实施方式，由于因流体流动的作用于至少一个迎流面的力引起的悬臂的弯曲和/或扭曲，产生悬臂的变形。在此，速度能够作为弯曲的函数来评估，和/或流动方向，尤其迎流角，能够作为悬臂的扭曲的函数来评估。优选地，在此关于流体的主迎流方向覆盖+45°至-45°的角度范围，尤其覆盖+90°至-90°的角度范围。
用于确定流体流动的至少一个参数，尤其用于确定流体的速度和/或流动方向的根据本发明的设备和/或根据本发明的方法是特别有利的。优选地，可确定纵向和/或横截的速度分量。在此，纵向的速度分量能够平行于流体的主迎流方向定向和/或对应于沿着主迎流方向的速度分量。横截的速度分量能够横向于，尤其垂直于纵向的速度分量和/或主迎流方向定向。尤其是，实现了二维地测量至少一个待确定的参数。流体能够是气体或者液体。尤其是，流体是空气、水或者空气-水混合物。尤其是，所述设备构成为悬梁式气流计，优选构成为二维的激光悬梁式气流计(2d-LCA)。根据本发明的设备和/或根据本发明的方法能够在航空和/或空间飞行、风能、医药的研究中和/或结合混合和/或燃烧过程使用。
附图说明
接下来根据附图详细地阐述本发明。附图示出：
图1示出根据本发明的设备的示意性的立体子视图，
图2示出用于根据图1的根据本发明的设备的传感器元件的示意性的侧视图，
图3示出用于根据本发明的设备的悬臂的第一实施方式的示意性的立体侧视图，
图4示出用于根据本发明的设备的悬臂的第二实施方式的示意性的立体侧视图，
图5示出用于根据本发明的设备的悬臂的第三实施方式的示意性的立体侧视图，
图6示出用于根据本发明的设备的悬臂的另一实施方式的示意性的立体侧视图，以及
图7示出根据本发明的设备的光路的示意性的俯视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的设备10的示意性的立体子视图。根据该子视图，设备10的壳体55是部分打开的或者移除的，使得设备10的内部构造是可见的，所述内部构造通常由在此未闭合地示出的壳体55围绕。
设备10在该实施例中具有基本上长形的或拉长的，尤其销状的造型。设备10具有后端部11和前端部12。前端部12具有锥形的壳体尖端13。锥形的壳体尖端13具有朝向后端部11张开的角，所述角在该实施例中为大约24°。壳体尖端13具有固定在外环周上的杆状的承载结构14，所述承载结构突出于壳体尖端13的朝向前端部12尖细的端部。在承载结构14的自由的端部上，设置有传感器元件15，所述自由的端部沿着背离于后端部11的方向突出于壳体尖端13。传感器元件15具有在此不能详细辨识的可弹性变形的悬臂，所述悬臂仍将结合后续的附图予以详细示出和阐述。
在壳体尖端13的背离承载结构14或传感器元件15的端部和后端部11之间设置有用于测量传感器元件15的悬臂的变形的测量装置16。测量装置16具有激光器17，所述激光器在该实施例中设置在设备10的中部的区域中。在此，激光器17示例性地作为ADL-63054TA2型的激光二极管，所述激光二极管具有630nm的波长和5mW的功率。
在设备10的后端部11和激光器17之间设置有用于定位或调节激光器17的定位装置18。在该实施例中，激光器17可借助于定位装置18和在此未详细示出的远程控制装置调节，由此可避免设备10的壳体55打开。根据该实施例，定位装置18具有两个直流马达用于定位或调节激光器17。
在激光器17和壳体尖端13之间设置有分束器19和位置敏感的检测器20，所述激光器在其在此未详细示出的激光射束方面定向为，使得激光射束射到传感器元件15的悬臂上。位置敏感的检测器20在此构成为二维的元件，即构成为所谓的二维的位置灵敏的检测器(PSD)。在此，示例性地使用Hamamatsu S5990型的检测器20。
图2示出用于根据图1的根据本发明的设备10的传感器元件15的示意性的侧视图。传感器元件15具有基础元件21、承载元件22和可弹性变形的悬臂23。
传感器元件15在该实施例中构成为悬梁式芯片。传感器元件15由硅制成，在此示例性地借助于光刻方法制造。基础元件21用于将传感器元件15固定在根据图1的承载结构14的自由的端部上。基础元件21和承载元件22借助于分隔层41彼此分隔。在该实施例中，分隔层41由氧化硅形成并且具有1μm的厚度。
承载元件22在基础元件21的一侧上延伸超出基础元件21。在承载元件22的背离基础元件21的端部上，悬臂23固定在承载元件22上。悬臂23在该实施例中基本上杆状地构成并且从承载元件22起延伸离开该承载元件和基础元件21。悬臂23构成为所谓的悬梁。在该实施例中，悬臂23具有160μm的长度。悬臂23的宽度在此示例性地为40μm并且厚度为1.6μm。
悬臂23在自由的端部上具有迎流结构23。悬臂23和迎流结构24根据箭头25由在此未详细示出的流体迎流。在此，箭头25代表流体的主迎流方向。根据箭头25的主迎流方向在该实施例中垂直于悬臂23的纵向方向来定向。根据图1的激光器17的射束26指向悬臂23的背离迎流结构24的一侧。此外，根据箭头25的主迎流方向根据该实例设置在与射束26相同的平面中。在该实施例中，射束26和根据箭头25的主迎流方向指向同一轴线并且指向彼此。
悬臂23在背离迎流结构24的一侧上具有反射面27，用于反射射束26。反射面27在该实施例中由铝层形成。
图3示出用于根据本发明的设备10的悬臂28的第一实施方式的示意性的立体侧视图。例如，替代根据图2的悬臂23可使用悬臂28。可弹性变形的悬臂28具有基本上板状的构造，其尺寸在该实施例中对应于根据图2的悬臂23的尺寸。悬臂28具有第一迎流面29，在使用悬臂28时所述第一迎流面朝向根据箭头25的流体的流动。
此外，悬臂28具有迎流结构30，所述迎流结构在悬臂28的自由的端部的区域中固定在该悬臂上。迎流结构30从第一迎流面29起延伸离开。第一迎流面29和迎流结构30设置在悬臂28的背离反射面27的一侧上。在该实施例中，迎流结构30构成为板状的元件，所述板状的元件具有30μm的高度，40μm的长度和9μm的厚度。在此，迎流结构30示例性地由光刻胶SU-8形成。迎流结构30相对于第一迎流面29成直角地延伸。迎流结构30关于第一迎流面29的宽度大致居中地设置在该迎流面上。
第一迎流结构30提供多个另外的迎流面31、32。在此，这两个另外的迎流面31、32设置在迎流结构30的两个彼此背离的侧上。这两个另外的迎流面31、32的平面彼此平行地定向。此外，这两个另外的迎流面31、32的平面垂直于第一迎流面29的平面定向。
此外，悬臂28或第一迎流面29定向为，使得另一迎流面31在此用作为用于流体的第二迎流面。在此，第二迎流面31相对于根据箭头25的流体的主迎流方向倾斜地定向并且在该实施例中以大约45°的角度相对于所述主迎流方向定向。在该实施例中，根据箭头25的流体的流动对应于主迎流方向，其中根据箭头25的主迎流方向在该实施例中位于如下平面中，所述平面垂直于第一迎流面29的和另外的迎流面31、32的平面定向。
替选于图3中的视图，悬臂28能够围绕其纵轴线以顺时针转动90°的方式设置。在这种情况中，另一迎流面32用作为用于流体的第二迎流面。
在该实施例中，第一迎流面29的平面倾斜于在此未详细示出的流体的根据箭头25的主迎流方向定向。对此，根据图1的设备10或激光器17的射束26倾斜于根据箭头25的主迎流方向定向。在该实施例中，第一迎流面29的平面或者根据箭头26的激光器27的射束轴线相对于根据箭头25的流体的主迎流方向以大约45°的角度定向。此外，另外的迎流面31、32的平面平行于悬臂28的纵轴线延伸。
图4示出用于根据本发明的设备10的悬臂33的第二实施方式的示意性的立体侧视图。悬臂33在其构造和其尺寸方面在很大程度上对应于悬臂28或悬臂23。因此，悬臂33同样具有第一迎流面29并且在背离第一迎流面29的一侧上具有反射面27。
不同于根据图3的悬臂28，悬臂33在其自由的端部的区域中具有迎流结构34。迎流结构34基本上V形地构成。迎流结构34大致居中地固定在第一迎流面29上并且延伸远离第一迎流面29。迎流结构34具有第一侧边35和第二侧边36。从第一迎流面29起，这两个侧边35、36延伸远离彼此。第一侧边35在第一侧边35的两个彼此背离的侧上具有两个另外的迎流面37、38。第二侧边36具有两个另外的迎流面39、40，所述迎流面设置在第二侧边36的两个彼此背离的侧上。这两个另外的迎流面37和38以及这两个另外的迎流面39和40分别彼此平行地定向。此外，另外的迎流面38和39朝向彼此。另外的迎流面37和40背离彼此。在该实施例中，侧边35、36相对于彼此以大约45°的角度定向。替选地，可以考虑其它角度，例如处于30°至90°的范围中的角度或者120°的角度。从第一迎流面29起，侧边35、36漏斗状地以延伸远离该第一迎流面的方式敞开。此外，侧边35、36在该实例中相对于第一迎流面29的平面以大约45°的角度定向。
第一迎流面29的平面垂直于根据箭头25的流体的主迎流方向定向。此外，激光器27的射束26同样垂直于悬臂33的第一迎流面29的平面定向。不同于此，迎流结构34的另外的迎流面37、38、39、40倾斜于第一迎流面29的平面定向并从而倾斜于根据箭头25的流体的主迎流方向定向以及倾斜于激光器27的射束26定向。在该实施例中，另外的迎流面37、38、39、40的平面相对于根据箭头25的流体的主迎流方向或相对于激光器27的射束26以大约45°的角度定向。此外，另外的迎流面37、38、39、40的平面平行于悬臂33的纵轴线延伸。根据箭头25的主迎流方向在该实施例中位于如下平面中，所述平面垂直于第一迎流面29的和另外的迎流面37、38、39、40的平面定向。
图5示出用于根据本发明的设备10的悬臂42的第三实施方式的示意性的立体侧视图。悬臂42在其构造和其尺寸方面在很大程度上对应于悬臂23、38、33。因此，悬臂42同样具有第一迎流面29并且在背离第一迎流面29的一侧上具有反射面27。
不同于悬臂23、28、33，悬臂42在其自由的端部的区域中具有迎流结构43。迎流结构43在其外轮廓方面基本上V形地或者漏斗形地构成。然而，迎流结构43不具有侧边，而是在该实施例中由实心材料形成。迎流结构43大致居中地固定在第一迎流面29上并且延伸远离第一迎流面29。
迎流结构43在迎流结构43的两个彼此背离的侧上具有两个另外的迎流面44、45。另外的迎流面44和45彼此背离。在该实施例中，这两个迎流面44、45相对于第一迎流面29的平面以大约105°的角度定向。另外的迎流面44、45从第一迎流面29起并且以延伸远离该第一迎流面的方式朝向彼此渐变为漏斗状或者斜坡状。在该实施例中，另外的迎流面44、45并不汇聚为共同的棱边，而是另外的迎流面44、45从第一迎流面29起朝向彼此伸展并且在另外的第三迎流面46中终止。另外的第三迎流面46背离第一迎流面29。另外的第三迎流面46的平面平行于第一迎流面29的平面定向。替选地，另外的迎流面44、45能够代替另外的第三迎流面46汇聚为共同的棱边。
第一迎流面29的平面垂直于根据箭头25的流体的主迎流方向定向。此外，激光器27的射束26同样垂直于悬臂42的第一迎流面29的平面定向。不同于此，迎流结构43的另外的迎流面44、45倾斜于第一迎流面29的平面定向并从而倾斜于根据箭头25的流体的主迎流方向定向以及倾斜于激光器27的射束26定向。在该实施例中，另外的迎流面44、45的平面相对于根据箭头25的流体的主迎流方向或者相对于激光器27的射束26以大约15°的角度定向。此外，另外的迎流面44、45的平面平行于悬臂42的纵轴线延伸。根据箭头25的主迎流方向在该实施例中位于如下平面中，所述平面垂直于第一迎流面29和另外的迎流面44、45的平面定向。
图6示出用于根据本发明的设备10的悬臂47的另一实施方式的示意性的立体侧视图。悬臂47在其构造和其尺寸方面在很大程度上对应于悬臂23、28、33、42。因此，悬臂47同样具有第一迎流面29并且在背离第一迎流面29的一侧上具有反射面27。
不同于悬臂23、28、33、42，悬臂47在其自由的端部的区域中具有迎流结构48。迎流结构48在其外轮廓方面基本上V形地或者漏斗形地构成。然而，迎流结构43不具有侧边，而是在该实施例中由实心材料形成。迎流结构48大致居中地固定在第一迎流面29上并且延伸远离第一迎流面29。
迎流结构48在迎流结构48的两个彼此背离的侧上具有两个另外的迎流面49、50。另外的迎流面49和50彼此背离。在该实施例中，这两个迎流面49、50弯曲地构成。另外的弯曲的迎流面49、50从第一迎流面29起并且以延伸远离该第一迎流面的方式彼此渐变为漏斗状或者斜坡状。在该实施例中，另外的迎流面49、50汇聚为共同的迎流棱边51。迎流棱边51沿着悬臂48的纵向方向延伸。此外，弯曲的另外的迎流面49、50从迎流棱边51起延伸直至第一迎流面29的外部的端棱边。由此，第一迎流面29在迎流结构48的区域中完全地由该区域覆盖。替选地，迎流结构48也具有比第一迎流面29更小或更大的宽度。
第一迎流面29的平面垂直于根据箭头25的流体的主迎流方向定向。此外，激光器27的射束26同样垂直于悬臂47的第一迎流面29的平面定向。不同于此，迎流结构48的弯曲的另外的迎流面49、50的切线至少部分地倾斜于第一迎流面29的平面定向并从而倾斜于根据箭头25的流体的主迎流方向定向以及倾斜于激光器27的射束26定向。弯曲的另外的迎流面49、50平行于悬臂47的纵轴线延伸。根据箭头25的主迎流方向在该实施例中位于如下平面中，所述平面垂直于第一迎流面29的平面和另外的迎流面49、50的弯曲的面定向。
图7示出根据本发明的设备10的光路52的示意性的俯视图。激光器17的射束26沿着根据图1的设备10的纵向方向延伸。在此，射束26的至少一部分穿过分束器19。在该实施例中，分束器19构成为分束器-膜片，也就是说，构成为所谓的薄膜分束器。与同样可以考虑的分束器-立方体相反，由于使用分束器-膜片而需要更小的结构空间。
射束26射到在此未示出的悬臂23、28、33、42、47的反射面27上。在反射面27上产生反射点53，所述反射点根据反射射束54被朝向分束器19反射。在悬臂23、28、33、42、47未承受负荷的情况下，反射面27的平面相对于射束26成直角地定向。在由于流体流动使力作用到悬臂23、28、33、42、47上时，悬臂23、28、33、42、47偏转并且反射面27倾斜于射束26的纵轴线定向，如在图7中示例性地示出的那样。
反射射束54从反射面27起朝向分束器19取向。分束器19的平面倾斜于射束26的纵轴线定向。在该实施例中，分束器19的平面相对于射束26以45°的角度定向。
射到分束器19上的反射射束54至少部分地借助于分束器19朝向检测器20偏转。在此，反射射束54借助于分束器19相对于在反射面27和分束器19之间的反射射束54的纵轴线转向90°。随后，转向的反射射束54射到检测器20上。
在该实施例中，二维的检测器20的平面垂直于在分束器19和检测器20之间的反射射束的纵轴线或者平行于射束26的纵轴线定向。
由于分束器19构成为分束器-膜片，在此构成为薄膜分束器，所以可显著降低或者可完全避免所谓的重影。例如在使用分束器-立方体时，在有重影时引起所不期望的多次反射，所述多次反射使得明确地确定反射射束54在检测器20上的射入点变得困难。
接下来，根据图1至7详细阐述根据本发明的设备的运行方式：
为了确定流体流动的参数，例如气体或者液体的速度和/或流动方向，可使用设备10。设备10或悬臂23、28、33、42、47例如作为气流计来使用。对此，悬臂23、28、33、42、47遭受流体流动。流体的流动击中迎流面29、31、32、37、38、39、40、44、45、46、49、50上，由此通过运动的流体将力作用到悬臂23、28、33、42、47上，所述力引起悬臂23、28、33、42、47变形。尤其是，所述变形是悬臂23、28、33、42、47的弯曲和/或扭曲。在悬臂23、28、33、42、47的这种变形中包含所期望的关于速度和迎流角的信息。这些信息能够借助于已知的方法确定。
根据当前的实施例，激光器17的射束26在悬臂23、28、33、42、47的自由的端部的区域中聚焦，所述区域具有反射面27。激光器17的在反射面27上被反射的反射点53根据悬臂23、28、33、42、47的变形来移动。该运动的并且根据反射射束54被反射的反射点53可借助于检测器20检测。在此，检测器20提供二维的测量面，以便能够检测被反射的反射点53的不同位置。反射点53的或者在检测器20上关于其位置被确定的反射射束54的位置包含所需要的信息，所述信息接下来被评估以确定流体的速度和/或流动方向。
迎流面29、31、32、37、38、39、40、44、45、46、49、50的至少一个部段在此相对于根据箭头25的流体的主迎流方向倾斜地或者弯曲地定向。由此，在确定流体的流动方向时，可实现较高的角度分辨率。在此，流体的主迎流方向作为流体的中间的和/或平均的流动方向来预设，优选关于射束26并且在悬臂23、28、33、42、47未承受负荷的状态中具有0°的迎流角。尤其是，流体的待确定的流动方向和/或迎流角关于迎流面29、31、32、37、38、39、40、44、45、46、49、50以围绕流体的主迎流方向分布的方式设置。
由此，借助于根据本发明的设备可以二维地，例如在小于一毫米的尺度上并且在最多180°的角度范围中高分辨率地测量流体的速度和/或流动方向，所述尺度例如在大约140μm至160μm的范围中。
附图标记列表
10 设备 49 迎流面
11 后端部 50 迎流面
12 前端部 51 迎流棱边
13 壳体尖端 52 光路
14 承载结构 53 反射点
15 传感器元件 54 反射射束
16 测量装置 55 壳体
17 激光器
18 定位装置
19 分束器
20 检测器
21 基础元件
22 承载元件
23 悬臂
24 迎流结构
25 箭头
26 射束
27 反射面
28 悬臂
29 迎流面
30 迎流结构
31 迎流面
32 迎流面
33 悬臂
34 迎流结构
35 侧边
36 侧边
37 迎流面
38 迎流面
39 迎流面
40 迎流面
41 分隔层
42 悬臂
43 迎流结构
44 迎流面
45 迎流面
46 迎流面
47 悬臂
48 迎流结构

Claims (13)

1.一种用于确定流体的流动的至少一个参数的设备，所述设备具有：能弹性变形的悬臂(23，28，33，42，47)，所述悬臂具有至少一个用于所述流体的迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)；和用于测量所述悬臂(23，28，33，42，47)的变形的测量装置(16)，其中所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的至少一个部段相对于所述流体的主迎流方向(25)倾斜地和/或弯曲地定向，所述悬臂(23，28，33，42，47)在自由的端部上具有迎流结构(24，30，34，43，48)，并且所述迎流结构(24，30，34，43，48)具有至少一个用于所述流体的所述迎流面(31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)，其特征在于，所述悬臂(23，28，33，42，47)在背离所述迎流结构(24，30，34，43，48)的一侧上具有反射面(27)，并且所述测量装置(16)具有激光器(17)，其中所述激光器(17)的射束轴线(26)指向所述悬臂(23，28，33，42，47)的所述反射面(27)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的弯曲部的切线和/或平面倾斜于所述流体的所述主迎流方向(25)定向，优选地，所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的所述弯曲部的所述切线和/或所述平面倾斜于所述设备(10)的纵轴线定向。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的弯曲部的切线和/或平面，尤其所述反射面(27)的用于所述激光器(17)的平面，倾斜于所述激光器(17)的射束轴线(26)定向，尤其是，所述反射面(27)由铝构成。
4.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，至少一个所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的弯曲部的切线、平面和/或部段以在35°至55°的范围中的角度，尤其以在40°至50°的范围中的角度，优选以45°的角度倾斜于所述流体的主迎流方向(25)定向，倾斜于所述设备(10)的纵轴线定向和/或倾斜于所述测量装置(16)的激光器(17)的射束轴线(26)定向。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述悬臂(23，28，33，42，47)配属于承载结构(14)和/或板状地构成，尤其是，所述悬臂(23，28，33，42，47)具有最多2mm的长度，尤其处于100μm至250μm的范围中的长度，优选地，所述悬臂(23，28，33，42，47)具有最多0.5mm的宽度，尤其处于20μm至60μm的范围中的宽度，特别优选地，所述悬臂(23，28，33，42，47)具有最多30μm的厚度，尤其处于1μm至3μm的范围中的厚度。
6.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述悬臂(23，28，33，42，47)和/或所述迎流结构(24，30，34，43，48)具有流体动力学的轮廓，尤其是，所述流体动力学的轮廓构成用于实现在借助于所述流体进行绕流时的动力学的升力。
7.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述悬臂(23，28，33，42，47)具有第一迎流面(29)并且所述迎流结构(24，30，34，43，48)具有至少一个另外的迎流面(31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)，优选地，所述另外的迎流面(31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)从所述第一迎流面(29)起延伸，尤其是，所述悬臂(23，28，33，42，47)的所述第一迎流面(29)的平面倾斜于或者垂直于所述迎流结构(24，30，34，43，48)的至少一个所述另外的迎流面(31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的弯曲部的切线和/或平面定向。
8.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述迎流结构(24，30，34，43，48)由光刻胶，优选SU-8构成，尤其是，所述迎流结构(24，30，34，43，48)具有最多0.5mm的高度，尤其处于20μm至60μm的范围中的高度，优选地，所述迎流结构(24，30，34，43，48)具有最多0.5mm的长度，尤其处于20μm至60μm的范围中的长度，特别优选地，所述迎流结构(24，30，34，43，48)具有最多50μm的厚度，尤其处于6μm至12μm的范围中的厚度。
9.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述迎流结构(34，43，48)基本上V形地构成，优选地，所述悬臂(23，28，33，42，47)具有第一迎流面(29)并且所述V形的迎流结构(34，43，48)从所述第一迎流面(29)延伸远离，尤其是，所述V形的迎流结构(34)沿着背离所述第一迎流面(29)的方向漏斗状地敞开或者所述V形的迎流结构(43，48)形成斜坡状的、背离所述第一迎流面(29)取向的尖端。
10.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量装置(16)具有用于激光器(17)的射束(26)的分束器-板和/或分束器-膜片(19)，尤其薄膜分束器，优选地，所述测量装置(16)具有尤其二维的、位置敏感的检测器(20)，所述检测器用于检测激光器(17)的被所述悬臂(23，28，33，42，47)反射的射束(54)的位置。
11.一种用于尤其借助于根据上述权利要求中任一项所述的设备(10)确定流体的流动的至少一个参数的方法，其中借助于至少一个用于所述流体的迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)将能弹性变形的悬臂(23，28，33，42，47)引入到流动中，并且其中借助于测量装置(16)测量所述悬臂(23，28，33，42，47)由于所述流动的作用于所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的力引起的变形，其中所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的至少一个部段相对于所述流体的主迎流方向(25)倾斜地和/或弯曲地定向，所述悬臂(23，28，33，42，47)在自由的端部上具有迎流结构(24，30，34，43，48)，并且所述迎流结构(24，30，34，43，48)具有至少一个用于所述流体的所述迎流面(31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)，其特征在于，所述悬臂(23，28，33，42，47)在背离所述迎流结构(24，30，34，43，48)的一侧上具有反射面(27)，并且所述测量装置(16)具有激光器(17)，其中所述激光器(17)的射束轴线(26)指向所述悬臂(23，28，33，42，47)的所述反射面(27)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，由于因所述流体的流动的作用于至少一个所述迎流面(29，31，32，37，38，39，40，44，45，46，49，50)的力而引起所述悬臂(23，28，33，42，47)的弯曲和/或扭曲，产生所述悬臂(23，28，33，42，47)的变形，其中所述流动的速度作为所述弯曲的函数来评估，和/或流动方向，尤其迎流角，作为所述扭曲的函数来评估，优选地，关于所述主迎流方向(25)的+90°至-90°的角度范围被覆盖。
13.一种根据权利要求1至10中任一项所述的设备(10)和/或根据权利要求11或12所述的方法的应用，所述设备和/或所述方法用于确定流体的流动的至少一个参数，所述设备和/或所述方法尤其作为悬梁式-气流计优选应用在航空和/或宇宙飞行、风能、医药的研究中和/或与混合和/或燃烧过程结合地应用。
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