CN107894515B - 基于3D打印与Flex传感技术的流速监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于3D打印与Flex无线传感技术的流速监测系统。本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述流速监测系统的流速监测方法。本发明基于3D打印与Flex无线弯曲传感技术设计了流速测量系统，用于测量和传输水流流速。本发明能够对液体流速进行快速测量，并得出数据，在提高效率的同时也降低测量成本，可以实现无线传输，测量精确性高、成本低。

Description

基于3D打印与Flex传感技术的流速监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于3D打印与Flex无线传感技术的流速监测系统及方法，主要用于测量河流的流速以作为预防地质灾害的依据，以及水利工程中遇到的各种需要测液体流速的场合，除此之外，汽、油的管道输送速度也可以用它来测量，通过给定尺寸，也可以定制相应的适合的测量传感器。

背景技术

对于水利工程而言，测量水的流速，尤其是测量有些闸门、通道、或者需要施工的地方显得十分重要。然而，能够开发出一款具有防水、耐用、简洁方便操作、精确度够用的传感器及创造出其测量流速的方法显得十分重要。

对于测量流速，除了传统的水力学测流速的经典方法外，现有技术也有一些新的方法。比如专利CN206503959U中，对测流速直接采用阀门的想法很新颖，但是设计比较单调，对于传感器的具体原理并未进行详尽说明，而且也没有计算过程。而在在专利CN206223809U中，采用的是压力传感器，其精度有待考究，还有一个就是不能够直观的在源头出就反应测量的情况。除此之外，连接传感器的还是传统的缆线连接，其不方便之处就不再赘述。而无线技术则更能简化其操作，方便快捷。对于那些精度不够的设计，3D打印技术也是能够克服其精度不够的问题。

Flexforce弯曲传感器是一种由超薄电阻片构成的新型电阻式传感器，与传统的弯曲传感器相比具有更高的精度，更易携带且数据获取也更为便利，优势十分明显。由于其轻薄的特性，Flexforce弯曲传感器比传统传感器更易通过外部封装被固定在测量曲面上，更为准确地进行无线输出。同时，外部封装很好地将传感器与外部隔开，使得传感器极少受环境影响，从而能够实现垂直多点同步测量以及多次、循环使用。兼具轻质、便携、可循环、不易被环境影响、可无线模拟输出等诸多优势的Flexforce弯曲传感器经过封装即可埋入待测材料进行全自动准分布式测量。Flexforce传感器应用了当前较为先进的弯曲传感技术，广泛使用于医学、力学等多个研究领域，在土木工程中，Flexforce传感器已应用于测定建筑结构表面出现变形或裂缝的发展情况。

蓝牙技术，实质上是一种支持设备短距离无线技术标准的代称，用来描述设备之间的短距离无线电系统的链接情况，能够在无线手机、移动电话、计算机等设备之间进行通信，这种技术适用于没有电线连接的条件完成的近距离的无线信息交换。随着计算机网络无线技术的发展，蓝牙技术联盟于2010年6月30日正式推出蓝牙核心规格4.0(称为BluetoothSmart)。蓝牙低功耗，可快速建立简单的链接。4.0版本的一般性改进包括推进蓝牙低功耗模式所必需的改进、以及通用属性配置文件(GATT)和AES加密的安全管理器(SM)服务。这都为实现安全便捷的数据传输提供了方便。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于3D打印与Flex无线弯曲传感技术设计流速测量系统以及基于该系统的测量方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于3D打印与Flex无线传感技术的流速监测系统，其特征在于，包括利用3D打印技术打印出的杆件及阻力板，杆件与阻力板之间通过连接铰相连，阻力板垂直放入液体中后，使得液体的流向与阻力板所在平面垂直，液体流过阻力板时阻力板通过连接铰弯曲，在杆件与阻力板的连接处套有一个活动套，在杆件上套有活动套，Flexfoece弯曲传感器设于活动套和连接铰的外侧，当阻力板发生弯曲时带动Flexfoece弯曲传感器发生弯曲，Flexfoece弯曲传感器经由无线网络连接数据采集分析终端。

本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述流速监测系统的流速监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将杆件及阻力板安置在液体中，使得液体的流向与阻力板所在平面垂直，液体流过阻力板时阻力板通过连接铰弯曲，从而带动Flexfoece弯曲传感器弯曲，获取当前时刻t的Flexfoece弯曲传感器的示数D_t；

步骤2、根据D_t计算得到当前时刻t的弯曲角度变化值θ_t，

式中，ΔD_t为当前时刻t Flexfoece弯曲传感器的示数变化值，ΔD_t＝D_t-D₁，D₁为Flexfoece弯曲传感器的初始示数，k为线性关系；

步骤3、依据弯曲角度变化值θ_t计算得到当前时刻t的流速v_t：

式中，l为阻力板的水平宽度，a为比例系数。

优选地，在所述步骤2中，线性关系k的获取步骤为：

通过弯曲传感器标定实验测得Flexfoece弯曲传感器示数与角度间的线性关系k，标定过程中通过将Flexfoece弯曲传感器弯曲不同角度时，对Flexfoece弯曲传感器的示数进行记录，获得Flexfoece弯曲传感器示数与角度之间的标定关系，该标定关系是线性的，从而将获得的直线的斜率作为线性关系k。

本发明基于3D打印与Flex无线弯曲传感技术设计了流速测量系统，用于测量和传输水流流速。本发明能够对液体流速进行快速测量，并得出数据，在提高效率的同时也降低测量成本，可以实现无线传输，测量精确性高、成本低。

附图说明

图1为传感器主要部分的正视图；

图2为传感器主要部分的侧视图；

图3为传感器连接铰图；

图4为杆件上端图；

图5为杆件下端图；

图6及图7为图乘法所使用的弯矩图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1至图5，本发明提供的一种基于3D打印与Flex无线传感技术的流速监测系统主要由五部分组成：3D打印出的杆件1，作为测量轨道；3D打印出的阻力板2；Flexfoece弯曲传感器3；连接铰4；活动套5；水平仪6及钻头7。

杆件1是利用3D打印技术打印出的一根1m长的杆，上面可以标上刻度，用于固定阻力板2和改变测量深度。杆件1和阻力板2之间用连接铰4连接，实现水流过阻力板2时，阻力板2能够弯曲，从而带动Flexfoece弯曲传感器3弯曲。同时，为了方便上下滑动，在杆件1和阻力板2之间加上一个活动套5。将Flexfoece弯曲传感器3安装在活动套5和连接铰4的外侧，以便在阻力板2发生弯曲时，带动Flexfoece弯曲传感器3发生弯曲，从而实现数据的采集。

完成板件连接后，将Flexfoece弯曲传感器3插入阻力板2内开好的槽内，使Flexfoece弯曲传感器3插入后相对封装壳体位置不再移动。最开始阻力板2需要竖直放置，垂直放入液体中后，根据水流方向转动杆件1，待水的流向与阻力板2垂直后，且无线连接成功后即可进入工作状态。通过数据采集分析终端采集Flexfoece弯曲传感器3的数据，通过Flexfoece弯曲传感器3数据的变化来换算每个监测点的变形情况，实现对每个监测点的变形进行实时监测。

本发明提供的一种流速监测方法，包括以下步骤：

步骤1、将杆件1及阻力板2安置在液体中，使得液体的流向与阻力板2所在平面垂直，液体流过阻力板2时阻力板2通过连接铰4弯曲，从而带动Flexfoece弯曲传感器3弯曲，获取当前时刻t的Flexfoece弯曲传感器3的示数D_t；

步骤2、根据D_t计算得到当前时刻t的弯曲角度变化值θ_t，

式中，ΔD_t为当前时刻t Flexfoece弯曲传感器3的示数变化值，ΔD_t＝D_t-D₁，D₁为Flexfoece弯曲传感器3的初始示数，k为线性关系，其中，线性关系k的获取步骤为：

通过弯曲传感器标定实验测得Flexfoece弯曲传感器3示数与角度间的线性关系k，标定过程中通过将Flexfoece弯曲传感器3弯曲不同角度时，对Flexfoece弯曲传感器3的示数进行记录，获得Flexfoece弯曲传感器3示数与角度之间的标定关系，该标定关系是线性的，从而将获得的直线的斜率作为线性关系k。

步骤3、依据弯曲角度变化值θ_t计算得到当前时刻t的流速v_t：

式中，l为阻力板2的水平宽度，a为比例系数，与具体的液体种类以及其他环境有关。

的推导过程如下：

当阻力板2受到流速(平均流速)为v的液体时，阻力板2会受到集度为q₁的压力(取平均面力q₁)。流速越大，受到的压力q₁越大，可以近似表示为：

q₁＝av (1)

由结构力学知识，可以将阻力板2近似看做臂梁，其受到的竖直方向的荷载集度q为：

q＝q₁l (2)

因为是假设集度q₁均匀，所以将集度转换成线集度，将阻力板2近似看成是梁。因为铰是塑性，分析时简化成固定端。综合来看，阻力板2就可以简化成一根长度为l的悬臂梁。那么，在上面的线荷载为q。

由虚功原理(利用图乘法，详细弯矩图见图6、图7)得到：

由式(1)(2)(3),可以推导出：

再通过标定实验得出角度θ与水流v的关系如下：

Claims (1)

1.一种采用流速监测系统的流速监测方法，所述流速监测系统包括利用3D打印技术打印出的杆件(1)及阻力板(2)，杆件(1)与阻力板(2)之间通过连接铰(4)相连，阻力板(2)垂直放入液体中后，使得液体的流向与阻力板(2)所在平面垂直，液体流过阻力板(2)时阻力板(2)通过连接铰(4)弯曲，在杆件(1)与阻力板(2)的连接处套有一个活动套(5)，在杆件(1)上套有活动套(5)，Flexforce弯曲传感器(3)设于活动套(5)和连接铰(4)的外侧，当阻力板(2)发生弯曲时带动Flexforce弯曲传感器(3)发生弯曲，Flexforce弯曲传感器(3)经由无线网络连接数据采集分析终端，其特征在于，所述流速监测方法包括以下步骤：

步骤1、将杆件(1)及阻力板(2)安置在液体中，使得液体的流向与阻力板(2)所在平面垂直，液体流过阻力板(2)时阻力板(2)通过连接铰(4)弯曲，从而带动Flexforce弯曲传感器(3)弯曲，获取当前时刻t的Flexforce弯曲传感器(3)的示数D_t；

步骤2、根据D_t计算得到当前时刻t的弯曲角度变化值θ_t，

式中，ΔD_t为当前时刻t Flexforce弯曲传感器(3)的示数变化值，ΔD_t＝D_t-D₁，D₁为Flexforce弯曲传感器(3)的初始示数，k为线性关系；线性关系k的获取步骤为：

通过弯曲传感器标定实验测得Flexforce弯曲传感器(3)示数与角度间的线性关系k，标定过程中通过将Flexforce弯曲传感器(3)弯曲不同角度时，对Flexforce弯曲传感器(3)的示数进行记录，获得Flexforce弯曲传感器(3)示数与角度之间的标定关系，该标定关系是线性的，从而将获得的直线的斜率作为线性关系k；

步骤3、依据弯曲角度变化值θ_t计算得到当前时刻t的流速v_t：

式中，l为阻力板(2)的水平宽度，a为比例系数。

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