CN111721963A - 一种风速传感器及风速检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风速传感器及风速检测装置，所述风速传感器包括：固定座；悬臂梁，其一端设置在所述固定座上，所述悬臂梁在外力作用下发生弯曲变形；石墨，其设置在所述悬臂梁的一侧，所述石墨的电阻随所述悬臂梁弯曲变形而变化；质量块，其设置在所述悬臂梁的另一端，所述质量块用于增加所述悬臂梁质量以降低谐振频率。本发明提供的一种风速传感器，其结构简单、制作工艺极其简单、性能可靠、价格低廉，可自驱动，可有效的监测风速大小与方向，可有效判断环境风速，解决现有技术中常见的风速传感器缺点是制作成本高、系统复杂；采用石墨作为传感材料，其主要优点是价格便宜，容易制备及批量生产，而且可以通过铅笔任意绘制石墨图案，方便简单。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种风速传感器及风速检测装置，可应用于环保以及工业自动化技术领域中。
背景技术
风速传感器是把风速的物理信号转换为电信号输出，从而实现风速的测量。目前，传统的风速传感器根据工作原理大致可以分为三种：压电式、电容式、压阻式。其中，压电式风速传感器的材料价格比较高昂，而且制备复杂；电容式风速传感器的输出信号很小，不易于信号的输出及转换；压阻式风速传感器的机理虽然比较简单，但目前主要是基于硅压阻的传感器，其制作工艺以及所需设备比较复杂，成本较高。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种风速传感器，其结构简单、制作工艺极其简单、性能可靠、价格低廉，可自驱动，可有效的监测风速大小与方向，可有效判断环境风速，解决现有技术中常见的风速传感器缺点是制作成本高、系统复杂；采用石墨作为传感材料，其主要优点是价格便宜，容易制备及批量生产，而且可以通过铅笔任意绘制石墨图案，方便简单。
本发明还提供了一种风速检测装置，其具有上述的风速传感器。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于石墨电阻的风速传感器，采用了如下所述的技术方案：
一种风速传感器，其包括：
固定座；
悬臂梁，其一端设置在所述固定座上，所述悬臂梁在外力作用下发生弯曲变形；
石墨，其设置在所述悬臂梁的一侧，所述石墨的电阻随所述悬臂梁弯曲变形而变化。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述悬臂梁的长度范围为5mm-50mm，其宽度范围为5mm-50mm。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述悬臂梁材质为纸张或柔性塑料。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述纸张为打印用纸张。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述风速传感器还包括质量块，其设置在所述悬臂梁的另一端，所述质量块用于增加所述悬臂梁质量以降低谐振频率。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述质量块的质量为0.1mg-10mg。所述质量块材质为高密度的金属。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述风速传感器还包括处理电路，其通过导线与所述石墨电性连接，所述处理电路用于测试当前石墨的阻值以及根据所述石墨的阻值计算出外力大小。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述导线材质为铝、金、铜及银中的任一种。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述石墨是通过铅笔绘制在所述悬臂梁上的。
作为本发明提供的风速传感器的一种改进，所述石墨图案形状为U型、V型、M型中的任一种。
一种风速检测装置，其具有任意一上述的风速传感器。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明提供的一种风速传感器，其结构简单、制作工艺极其简单、输出性能稳定可靠、价格低廉，可自驱动，可有效的监测风速大小与方向，可有效判断环境风速，解决现有技术中常见的风速传感器缺点是制作成本高、系统复杂。
2、该风速传感器具有加工工艺简单、成本低、高柔性、轻便等优点，当风速施压在具有石墨的悬臂梁上面，其悬臂梁会发生响应的弯曲，导致石墨电阻发生变化，从而实现环境风速的测量。采用石墨作为传感材料，其主要优点是价格便宜，容易制备及批量生产，而且可以通过铅笔任意绘制石墨图案，方便简单，石墨是从铅笔(如2B、4B等)中来的，可以直接画成电阻图案，而使用其它压阻材料需要更为复杂的新工艺及新设备来制备器件，比如采用其它液体，粉末的压阻材料，就导致需要新型设备制备器件，例如喷墨沉积仪，面喷仪器，这样传感器的价格相当高，不利于风速传感器的推广应用。
3、本发明的悬臂梁材质可以是纸张，如常规的打印纸，采用纸作为基底的原因在于环保，可被大自然降解。采用的质量块提供悬臂梁形变的负载力。
4、本发明基于纸质的石墨风速传感器，当风速导致纸张悬臂梁发生弯曲，纸张的石墨图形会发生延伸或收缩，从而导致石墨的电阻发生变化，从而可实现风速的测量。可以通过铅笔任意绘制石墨图案，方便简单，容易设计，便于整合到如风洞的风速测试，或者深井，挖矿，地洞，或者野外风速等的风速监测系统，还有空气循环系统以及农业大棚通风系统等需要检测风速风向的系统，价格还会更加便宜。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明风速传感器的结构示意图；
图2为本发明风速传感器的另一结构示意图；
图3a-c为本发明风速传感器中悬臂梁受不同方向的风力所发生的形变示意图，其中，图3a为负向风施压在所述悬臂梁上的示意图，图3b为无风状态下所述悬臂梁的示意图，图3c为正向风施压在所述悬臂梁上的示意图；
图4a-c为本发明风速传感器中石墨随着所述悬梁臂响应不同方向的风力发生形变时石墨颗粒的变化示意图，其中，图4a为负向风施压在所述悬臂梁时石墨颗粒被压缩的示意图，图4b为无风状态下所述悬臂梁上的石墨颗粒未变形的示意图，图4c为正向风施压在所述悬臂梁时石墨颗粒被拉伸的示意图；
图5为本发明风速传感器的石墨电阻与风速的关系曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参考图1、2，本实施例提供了一种风速传感器，其包括：
固定座1；
悬臂梁2，其一端设置在所述固定座1上，所述悬臂梁2在外力如风力等作用下发生弯曲变形；所述悬臂梁2另一端悬空设置；
石墨3，其设置在所述悬臂梁2的一侧，所述石墨3的电阻会随所述悬臂梁2弯曲变形而变化。
通过上述的设计，该风速传感器结构简单、制作工艺极其简单、性能可靠、价格低廉，可自驱动，可有效的监测风速大小与方向，可有效判断环境风速，解决现有技术中常见的风速传感器缺点是制作成本高、系统复杂。该风速传感器具有加工工艺简单、成本低、高柔性、轻便等优点，当风速施压在具有石墨3的悬臂梁2上面，其悬臂梁2会发生响应的弯曲，导致石墨3电阻发生变化，从而实现环境风速的测量。
在本实施例中，所述悬臂梁2材质为纸张或柔性塑料，其中，所述纸张为打印用纸张，如A4纸，但不局限于此。采用纸张作为悬臂梁2的材料，不仅是纸张易得，来源广泛且价格便宜，而且纸张可被大自然降解，使得器件具有环保特性。再者，纸张的柔性好，其用于充当受风面，对于风感应灵敏，风速较小时也可测量。
具体地，所述悬臂梁2的尺寸要适当，其长度、宽度决定了风速作用下所述悬臂梁的弯曲程度，从而影响风速性能测试曲线，本发明人经过多次试验，得出所述悬臂梁2的长度范围较佳为5mm-50mm，优选为3mm，其宽度范围较佳为5mm-50mm，优选为1mm，但不局限于此。
值得注意的是，所述悬臂梁2可以通过贴合粘结的方式固定在所述固定座1，但不局限于此。当所述悬臂梁2材质为纸张时，其可以是由一张片状纸张构成，也可以由纸张折叠或层叠形成多层片状纸张，具体可根据实际情况来调节。
在本实施例中，所述石墨3是通过铅笔绘制在所述悬臂梁2上的。本实施例采用石墨3为器件核心传感部件，因为石墨3材料价格便宜，容易图形化，通过铅笔可任意绘制图形，容易制备及批量生产。如图3a-c、4a-c及图5所示，基于压阻效应，当风速施压在所述悬臂梁2上，所述悬臂梁2会响应发生弯曲形变时，在所述悬臂梁2上面的石墨3的图形也会发生相对应的相应变化，即石墨3被拉伸或者被压缩，导致石墨3电阻发生变化，从而实现环境风速的测量以及风向的判断。如图5所示，当石墨3电阻变小是负方向的风速，变大则为正方向风速。
具体地，所述石墨3图案形状为U型、V型、M型中的任一种，但不局限于此。所有石墨3图案要求电流导通，不能出现断开。
通过上述的设计，本发明采用石墨3作为传感材料，其主要优点是价格便宜，容易制备及批量生产，而且可以通过铅笔任意绘制石墨3图案，方便简单，石墨3是从铅笔(如2B、4B等)中来的，可以直接画成电阻图案，而使用其它压阻材料需要更为复杂的新工艺及新设备来制备器件，比如采用其它液体，粉末的压阻材料，就导致需要新型设备制备器件，例如喷墨沉积仪，面喷仪器，这样传感器的价格相当高，不利于风速传感器的推广应用。
在本实施例中，所述风速传感器还包括质量块4，其设置在所述悬臂梁2的另一端，即悬空的一端，所述质量块4用于增加所述悬臂梁2质量以降低谐振频率，提高悬臂梁2振动振幅，进一步提高风速传感器的测量精度。谐振频率越接近风速，悬臂梁2发生弯曲的形变越大，电阻变化也就越大，从而更容易测量风速。采用的质量块4为提供悬臂梁2形变的负载力。优选但不限定地，本发明采用铜或者其它密度较高的金属作为质量块4，所述质量块4的质量大小可为0.1mg-10mg，但不局限于此。所述质量块4的质量不能过重，以避免影响纸张受风时的弯曲程度。
本发明风速传感器的工作原理如下：
工作时，如图3c、4c所示，当流动空气沿着方向(称为正向)作用于所述纸质悬臂梁2上，所述悬臂梁2受到风力的作用，响应而发生弯曲变形，则通过铅笔绘制在所述悬臂梁2一侧上的石墨3图案被拉伸，石墨3电阻的变形量变大，则电阻阻值越大，跟石墨3电线连接的处理电路可测试出当前石墨3的阻值，以及根据石墨3电阻的阻值计算获得风速的大小以及判断风向为正向，如图5所示。反之，如图3a、4a所示，当流动空气沿着反方向(称为负向)作用于所述纸质悬臂梁2上，则所述纸质悬臂梁2响应而发生弯曲变形，则此次石墨3图案被压缩，即石墨3电阻的变形量缩小，电阻阻值变小，处理电路测试出当前石墨3的阻值，以及根据石墨3电阻的阻值计算获得风速的大小以及判断风向为负向，如图5所示。其中，所述悬臂梁2上具有石墨3的一侧为正面，则其另一侧为负面，则正向风即为从正面吹向负面的风，反之则为负向。
本发明还提供了一种风速检测装置，其具有上述的风速传感器以及处理电路(图中未显示)。其中，所述处理电路通过导线5分别与所述石墨3的两端电性连接，所述处理电路用于测试当前石墨3的阻值以及根据所述石墨3的阻值计算出风力大小。所述导线5材质为铝、金、铜及银中的任一种，但不局限于此。
需要说明的是，根据阻值的变化计算风力大小的处理电路为现有常规技术，在此不再详述。其中，所述处理电路可以设置在固定座1内再电性连接至应用终端，也可以集成在应用终端的控制主板上。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种风速传感器，其特征在于，其包括：
固定座；
悬臂梁，其一端设置在所述固定座上，所述悬臂梁在外力作用下发生弯曲变形；
石墨，其设置在所述悬臂梁的一侧，所述石墨的电阻随所述悬臂梁弯曲变形而变化。
2.根据权利要求1所述的风速传感器，其特征在于，所述悬臂梁的长度范围为5mm-50mm，其宽度范围为5mm-50mm。
3.根据权利要求1所述的风速传感器，其特征在于，所述悬臂梁材质为纸张或柔性塑料。
4.根据权利要求1所述的风速传感器，其特征在于，所述风速传感器还包括质量块，其设置在所述悬梁臂的另一端，所述质量块用于增加所述悬臂梁质量以降低谐振频率。
5.根据权利要求4所述的风速传感器，其特征在于，所述质量块为高密度金属，质量为0.1mg-10mg。
6.根据权利要求1所述的风速传感器，其特征在于，所述风速传感器还包括处理电路，其通过导线与所述石墨电性连接，所述处理电路用于测试当前石墨的阻值以及根据所述石墨的阻值计算出外力大小。
7.根据权利要求6所述的风速传感器，其特征在于，所述导线材质为铝、金、铜及银中的任一种。
8.根据权利要求1所述的风速传感器，其特征在于，所述石墨是通过铅笔绘制在所述悬臂梁上的。
9.根据权利要求1或8所述的风速传感器，其特征在于，所述石墨图案形状为U型、V型、M型中的任一种。
10.一种风速检测装置，其特征在于，其具有如权利要求1至9任意一项所述的风速传感器。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113504736A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-10-15 | 清华大学 | 大挠性飞行器减载控制实验系统及方法 |
| CN114675050A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-06-28 | 中国电子科技集团公司第五十八研究所 | 一种应变计式三维mems风速风向传感器的制备方法及结构 |
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