CN109270291A - 一种基于pvdf压电传感器的流速测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置及方法，属于流速测量和平板湍流领域。测量装置由风机、风管、变频箱、PVDF压电传感器、风速仪、B&K动态信号分析仪和计算机组成。变频箱控制风机转速，风机出风口接风管，PVDF压电传感器置于风管末端，PVDF传感器引出引线接入B&K动态信号分析仪，分析仪接入计算机。测量方法包括B&K动态信号分析仪采集不同风速下PVDF传感器输出的电压频谱；由大量实验数据拟合出lgU＝b*lgv3+d式中的比例系数b、d,校准PVDF传感器；给定任意风速，得到PVDF传感器输出的电压频谱，代入式lgU＝b*lgv3+d中计算，可得出风速值。本发明提供的PVDF传感器，可贴于风洞、水洞、运动物体表面，适用于各种测量条件，材料薄，精度高，干扰小，测量结果稳定可靠，且价格低廉。
Description
技术领域
本发明属于流速测量和平板湍流领域，具体涉及以一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置及方法。
背景技术
流体的流动速度是流场最为基本的物理量，通过获得速度场，可以进一步得到流场的环量、涡量等物理量，从而全面掌握流场特征。获得流场速度，需要可靠的测量原理和设备，目前的流速测量方法主要使用毕托管、热线风速仪、激光多普勒流速仪和粒子图像测速仪，其他方法均是基于这些方法的基本原理演变而来的。
毕托管测速原理是流体力学的Bernoulli方程，要求流体运动条件为定常、理想无粘、不可压，受上述条件限制，毕托管测量的是平均流速或流量。且由于毕托管是单点、定常的接触式测量，易影响被测流场，因此毕托管主要应用于工业级测量或辅助验证，不能准确测量流场速度。热线风速仪的原理是金属丝的温度会随风速变化而变化，金属丝的温度变化又影响电信号输出，因此电信号的大小与风速有一一对应关系，测量电信号就可以获得风速。受测量原理限制，热丝长细比有一定要求，且多用于气体流速测量。
此外，流速在工程上的测量，常见有以下两种：第一代的旋桨式流速仪，在流速测量中被广泛应用，也是作为行业常用仪器而被国家标准所认可。但其易受漂浮物等的干扰。第二代的超声多普勒流速仪，是一种单点高精度的多普勒流速仪，与第一代不同，它为非接触式，专门用于水中流速的测量，且测量结果为三维。但它无法在含沙量大的环境中正常工作，且价格较为昂贵。
PVDF，Polyvinylidene Fluoride即聚偏二氟乙烯，是一种有机高分子压电材料。其压电电压系数比其它压电材料高很多倍，灵敏度高，传感性能好，测量频率范围宽，对环境变化表现很高的稳定性；制作成本低、易加工、重量轻，已广泛应用于水声、结构测量、医学测量、航空航海等领域。PVDF传感器已经用于流速的测量，专利CN204214888U使用新型设备支架和固定支架，通过导轨建立连接，流速PVDF压电传感器安装在设备支架下端外壁外侧，河流流向迎水面。此法测量流速，PVDF传感器安装方向垂直于河流流向，利用水流对传感器正面冲击的压力和流速大小的对应关系，可以用于测量风速和水流流速，但受到水深的限制。
目前尚未见利用平板湍流层流噪声辐射声强与流速对应关系的原理来测量流速的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置及方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置，由变频箱、风机、风管1、风速仪2、PVDF传感器3、B&K动态信号分析仪4、计算机5组成；其中PVDF传感器3包括PVDF膜片6、硬质背衬塑料板7、引线8、电极9；变频箱控制风机转速，风机出风口接风管1，PVDF压电传感器3置于风管1末端，PVDF传感器每个阵元两极引出引线8接入B&K动态信号分析仪4，B&K动态信号分析仪4接入计算机5；风速仪2置于风管1中，位于PVDF膜片6上方，PVDF膜片6敷设在硬质背衬塑料板7表面。
所述PVDF膜片6长度14.2cm、宽度8.5cm、厚度为500um，密度为1.78×103kg/m3，泊松比为0.35，使用温度为-40～80℃，划分成4×3的结构，共计12个相同的阵元。
所述硬质背衬塑料板7，长度54cm、宽度15cm、厚度为1cm。
所述引线8和电极9的材料为铝。
一种基于PVDF压电传感器的流速测量方法，包括以下步骤：
(1)连接测量装置，开动风机，进行实验；
(2)用变频箱调节风机风速，进行多次实验，记录大量数据，风速仪记录风速v，B&K动态信号分析仪采集不同风速下PVDF传感器输出的电压频谱；
(3)对不同流速下PVDF压电传感器的输出电压取倍频程分析，分析各个频段，lgU与流速lgv3的对应关系，由大量实验数据拟合出lgU＝blg(v3)+d式中的比例系数b、d，利用声强与流速的比例关系，校准PVDF传感器流速与电压输出的关系；
(4)给定任意风速，由PVDF流速测量装置测量出风速引起的平板表面压力起伏后的电压输出曲线，查表得到该频段的比例系数b、d，代入公式lgU＝blg(v3)+d，即可得到对应流速，用风速仪测量风速，两者进行比较，得到误差。
本发明的有益效果在于：本发明提供的PVDF传感器，可贴于风洞、水洞、运动物体表面，广泛应用于各种测量条件，并且材料薄，对流体运动造成的影响可以忽略，精度高，干扰小，测量结果稳定可靠，且价格低廉。
附图说明
图1为基于PVDF压电传感器的流速测量装置图；
图2为PVDF传感器示意图；
图3为基于PVDF压电传感器的流速测量方法步骤流程图；
图4为不同速度下测量系统输出电压的频谱曲线图；
图5为不同流速下的辐射声强级。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置见图1。变频箱接风机，风机出风口接风管，将风流引入长风管中，风管内产生稳定可控的风速，PVDF压电传感器置于风管末端，此处风速稳定，且背景噪声最小。
PVDF压电传感器示意图见图2，包括：PVDF膜片6、硬质背衬塑料板7，引线8，电极9，PVDF膜片6长度14.2cm、宽度8.5cm、厚度为500um，密度为1.78×103㎏/m3，泊松比为0.35，使用温度为-40～80℃，划分成4×3的结构，共计12个相同的阵元，敷设在硬质背衬塑料板7表面。硬质背衬塑料板7长度54cm、宽度15cm、厚度为1cm，其刚性特性可以保证在压力作用下PVDF膜片6不发生形变，从而不会对测量噪声产生影响。引线8和电极9的材料为铝。当黏性流体以一定流速流过一光滑薄平板时，产生的不稳定流场会引起平板表面的压力起伏，即流噪声。流体运动方向平行于PVDF压电膜片6表面，压力起伏方向垂直于PVDF压电膜片6表面，压力起伏的大小与流速成一定关系。PVDF压电传感器可将压力起伏转化为电压输出，因此PVDF压电传感器的电压输出可反映流体流速的大小。在PVDF膜片6每个阵元的两极引出引线8接入B&K动态信号分析仪，分析仪PULSE3560E接入电脑，记录处理数据。风速仪置于风管中，位于PVDF膜片6上方，同时监测风速。
当外界压力变化时，极化强度改变，PVDF压电膜片6可以产生很好的压电效应。如图2，PVDF压电膜片的面积为S，流体运动方向为y，流噪声引起的压力起伏T在z方向作用于PVDF压电膜片，d为压电应力常数，两极间产生的电荷量为Q。压电方程为
Q＝D·S＝dTS
根据电压和电荷量的关系，得到电压与压力起伏的关系
因此PVDF压电膜片6外接电路的输出电压的变化可反映平板表面压力起伏的大小。其中，由B&K动态信号分析仪测得输出电压平方的频谱曲线。PVDF压电膜片6划分成12个相同的阵元，每个阵元输出一个频谱曲线，12个频谱曲线应有较好的一致性，剔除相差较大的频谱曲线，对其余输出取平均，可减小测量误差，提高测量准确性。PULSE模块用直流电源供电，防止产生电干扰。PVDF压电传感器的12个膜片分别用bnc线连接PULSE的12个通道，用网线将电脑和PULSE机的网口连接，在电脑上插上密钥，设置IP地址，将前端和电脑连接起来，打开电脑上的测量软件labshop，在通道后面勾选FFT分析，确定频率分析范围0-12.8kHz，设置频率分辨率，每隔2Hz采集一次，每次采集后将结果用txt格式导出。B&K采集系统直接采集PVDF压电传感器输出的电压信号，将其分析为压力信号，显示结果为压力平方，将灵敏度设为1V/Pa，则显示结果为电压平方。
如图2，PVDF压电膜片6表面的方向与待测流体运动方向平行，都为y方向。流体流过PVDF压电膜片6，在其表面形成平板湍流区，湍流与界面互相作用的结果，形成沿界面分布的力源，具有偶极子型辐射机理，又有偶极子源的声强度与流速的六次方的对数成比例，
LI＝a·lg(v6)
v为流体流速，由风速仪测得，a为比例系数，是PVDF压电膜片6的固有属性。可利用声强与流速的比例关系，校准流速与电压输出的关系，进行流速测量。
湍流作用产生偶极子源，其辐射的声压作用于PVDF压电传感器上产生电压输出。声强级计算公式为：
其中U为输出电压，由B&K动态信号分析仪测得U2的频谱曲线得到。m为PVDF压电传感器电压声压间的灵敏度，10lgm2为一常数，不影响比例关系。代入声强级与流速的关系式，可得电压与流速的关系式：
lgU＝blg(v3)+d
多次实验可获得不同频段，lgU和流速lgv3的对应关系，即得到系数b、d。
硬质背衬塑料板7用来防止PVDF压电膜片6变形，以免影响压电效应和流速测量结果。
PVDF传感器接B&K动态信号分析仪，分析仪采集PVDF膜片输出的电压变化频谱，由计算机显示。将测量的电压值代入对应频段的b、d，可进一步求出对应的流速值v。
本发明所述的在风管中测量流速的方法，其操作流程见图3，主要通过以下几个步骤来实现：
1.测量系统由变频箱、风机、风管、PVDF传感器、风速仪、B&K动态信号分析仪和计算机组成。变频箱控制风机转速，风机出风口接风管，将风流引入长风管中，PVDF压电传感器置于风管末端。PVDF传感器每个阵元两极引出导线接入B&K动态信号分析仪，分析仪接入计算机，记录处理数据。风速仪置于风管中，PVDF膜片上方，同时监测风速。
2.开动风机，进行实验，风机风速可用变频箱调节，用风管将风流引出可使风管中流速稳定且隔离风机的噪声和电干扰。可进行多次实验，记录大量数据。风速仪记录风速v，计算机记录B&K动态信号分析仪输出的电压频谱，12个通道取平均后，画出lgU的频谱曲线，如图4。开动风机后，速度达到9m/s以上时，可认为淹没背景噪声的影响。PVDF压电传感器的输出电压频谱是在宽带连续谱基础上叠加部分低频线谱，且输出电压随流速的增大而增大。流速为9m/s以下时尖峰干扰较多，且不能完全淹没背景噪声。流速在27m/s以上时超过变频器能提供的最大风速。所以PVDF传感器量程为9m/s至27m/s。
3.对不同流速下PVDF压电传感器的输出电压取倍频程分析。分析各个频段，lgU与流速lgv3的对应关系，由大量实验数据拟合出lgU＝blg(v3)+d式中的比例系数b、d。流速取对数坐标系，建立lgU与流速的关系如图所示，lgU与lgv3成线性关系，符合偶极子的辐射规律。去掉干扰较大的频段，其余频段比例系数在0.87-1.07之间，见表1。
表1不同频段的系数b、d
| f(Hz) | 315 | 400 | 500 | 630 | 800 | 1000 | 1250 |
| a | 0.87 | 0.92 | 0.93 | 0.98 | 1.07 | 0.97 | 1.00 |
| b | -5.95 | -5.86 | -6.17 | -6.34 | -6.84 | -6.44 | -6.63 |
| f(Hz) | 1600 | 2000 | 2500 | 3150 | 4000 | 5000 | 6300 |
| a | 0.90 | 0.89 | 0.93 | 1.02 | 0.95 | 0.99 | 0.96 |
| b | -6.25 | -6.35 | -6.51 | -6.77 | -6.42 | -6.61 | -6.64 |
4.给定任意风速，由PVDF流速测量装置测量出风速引起的平板表面压力起伏后的电压输出曲线，在表1中查找该频段的比例系数b、d，代入公式lgU＝blg(v3)+d，即可得到对应流速。用风速仪测量风速，两者进行比较，误差见表2。
表2 PVDF传感器取5000Hz频段时与风速仪测量结果对比
由表2可知，该PVDF流速测量装置可应用于当计入流速计自身误差时实际风速为9.0m/s到27.0m/s、测量误差要求低于2.32％的实际的空气流速测量工作。
同理，该PVDF流速测量装置可置于水洞中，测量水流流速；贴于运动物体表面，测量其在流体中的运动速度。
综上所述，介绍了本专利测量流体流速的原理方法和优点特征并校正了PVDF压电传感器，给出测量的流噪声辐射声强与流速的对应关系。本专利保护，由流噪声辐射声强计算得到流速的原理和用PVDF压电传感器测量流噪声的方法。后续的变化和改进，也在本专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置，其特征在于：本发明装置由变频箱、风机、风管(1)、风速仪(2)、PVDF传感器(3)、B&K动态信号分析仪(4)、计算机(5)组成；其中PVDF传感器(3)包括PVDF膜片(6)、硬质背衬塑料板(7)、引线(8)、电极(9)；变频箱控制风机转速，风机出风口接风管(1)，PVDF压电传感器(3)置于风管(1)末端，PVDF传感器每个阵元两极引出引线(8)接入B&K动态信号分析仪(4)，B&K动态信号分析仪(4)接入计算机(5)；风速仪(2)置于风管(1)中，位于PVDF膜片(6)上方，PVDF膜片(6)敷设在硬质背衬塑料板(7)表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置，其特征在于：所述PVDF膜片(6)长度14.2cm、宽度8.5cm、厚度为500um，密度为1.78×103kg/m3，泊松比为0.35，使用温度为-40～80℃，划分成4×3的结构，共计12个相同的阵元。
3.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置，其特征在于：所述硬质背衬塑料板(7)，长度54cm、宽度15cm、厚度为1cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置，其特征在于：所述引线(8)和电极(9)的材料为铝。
5.一种基于PVDF压电传感器的流速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)连接测量装置，开动风机，进行实验；
(2)用变频箱调节风机风速，进行多次实验，记录大量数据，风速仪记录风速v，B&K动态信号分析仪采集不同风速下PVDF传感器输出的电压频谱；
(3)对不同流速下PVDF压电传感器的输出电压取倍频程分析，分析各个频段，lgU与流速lgv3的对应关系，由大量实验数据拟合出lgU＝blg(v3)+d式中的比例系数b、d，利用声强与流速的比例关系，校准PVDF传感器流速与电压输出的关系；
(4)给定任意风速，由PVDF流速测量装置测量出风速引起的平板表面压力起伏后的电压输出曲线，查表得到该频段的比例系数b、d，代入公式lgU＝blg(v3)+d，求解得到对应流速，用风速仪测量风速，两者进行比较，得到误差。
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