CN112858717B - 一种仿生气流传感器以及气流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，提供一种仿生气流传感器以及气流检测装置，其中仿生气流传感器包括：毛杆，毛杆上设有第一导电部，第一导电部电连接第一电极引线；基座，基座的顶端表面设有多个测量区域，每一测量区域设有至少一个狭缝，测量区域以及狭缝均设有第二导电部，第二导电部电连接第二电极引线；基座上还设有通孔，毛杆设于通孔内并可相对基座产生偏转，以对任一测量区域的至少一个狭缝产生挤压。本发明提供的仿生气流传感器以及气流检测装置，毛杆发生偏转以对测量区域的至少一个狭缝进行挤压，实现对气流流速进行检测，同时由于毛杆可以挤压任一个测量区域，以此达到测量流向的目的，从而使得本发明可以精确测量气体流速流向。

Description

一种仿生气流传感器以及气流检测装置

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种仿生气流传感器以及气流检测装置。

背景技术

精确测量气体流速流向具有十分重要的意义。例如在煤炭生产工作中，需要使用气流传感器对各个通风口的风速值进行监测，防止某个位置的通风率过低而导致有害气体浓度过高的现象发生。目前，常见的气体流速的检测方法有机械式气体流速测量检测、热线热膜式气体流速检测(HWA)、超声和激光多普勒(LDA)流速检测方法等，现有的机械式检测精度低、且受温度影响大。生物在漫长的进化过程中形成了很多巧妙的结构，为仿生研究提供了优秀的蓝本。蝎子蛊毛对周围空气的微弱流动具有极其敏锐的感知能力，而蝎子的缝感受器可以将微小的应力放大多倍。所以基于蝎子蛊毛研究一项具有灵敏度高、可以精确测量气体流速流向气流传感器具有重要的学术意义和广阔的工程前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生气流传感器以及气流检测装置，以解决现有技术中的仿生气流传感器灵敏度低，无法精确测量气体流速流向气流的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一方面，本发明提供一种仿生气流传感器，包括：

毛杆，所述毛杆上设有第一导电部，所述第一导电部电连接第一电极引线；

基座，所述基座的顶端表面设有多个测量区域，每一所述测量区域设有至少一个狭缝，所述测量区域以及所述狭缝均设有第二导电部，所述第二导电部电连接第二电极引线；

所述基座上还设有通孔，所述毛杆设于所述通孔内并可相对所述基座产生偏转，以对任一所述测量区域的至少一个所述狭缝产生挤压。

根据上述所述的仿生气流传感器，所述通孔内设有配重件，所述配重件设于所述毛杆的端部，且所述配重件与所述毛杆通过连接件连接，所述连接件与所述通孔的侧壁可转动连接。

根据上述所述的仿生气流传感器，所述连接件呈球形，所述通孔的侧壁设有球形凹部，所述连接件设于所述球形凹部内并可在所述球形凹部内转动。

根据上述所述的仿生气流传感器，所述狭缝的宽度由开口端至闭合端逐渐减小，所述狭缝呈V字型。

根据上述所述的仿生气流传感器，每一所述测量区域通过微纳加工有多条狭缝，且任意两条所述狭缝相互平行，相邻的所述狭缝之间的间距相同。

根据上述所述的仿生气流传感器，多个所述测量区域呈环形阵列排布，每一所述测量区域分别引出一个所述第二电极引线，相邻的所述测量区域之间设有嵌缝。

根据上述所述的仿生气流传感器，所述通孔的截面形状呈圆形，所述毛杆的截面形状呈圆形，所述通孔的内径大于所述毛杆的外径。

根据上述所述的仿生气流传感器，所述毛杆由轻质高强度绝缘材料制成，所述毛杆的长径比为50～100。

根据上述所述的仿生气流传感器，所述仿生气流传感器还包括固定座，所述固定座上设有容置腔，所述基座设于所述容置腔内并所述容置腔配合连接。

另一方面，本发明还提供一种气流检测装置，包括上述所述的仿生气流传感器。

本发明提供的仿生气流传感器以及气流检测装置的有益效果至少在于：

本发明提供的仿生气流传感器以及气流检测装置，其以检测电阻变化为表征手段，毛杆发生偏转以对测量区域的至少一个狭缝进行挤压，回路中电阻阻值发生改变，且电阻值的大小会随着气流对毛杆的挤压程度而变化，从而实现对气流流速进行检测，同时由于毛杆可以挤压任一个测量区域，也即每一测量区域对应不同的响应方向，以此达到测量流向的目的，从而使得本发明提供的仿生气流传感器以及气流检测装置实现灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、故障率低、测量误差极小，可以精确测量气体流速流向，适用于各种气体微流速流向的检测，且结构简单、体积小、成本低廉，经济性好，易于批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的仿生气流传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的仿生气流传感器的剖面结构示意图；

图3为图2中A部分的放大结构示意图；

图4为本发明实施例提供的仿生气流传感器在气流作用下的结构示意图。

的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图3，本实施例提供了一种仿生气流传感器100，包括：毛杆10，所述毛杆10上设有第一导电部11，所述第一导电部11电连接第一电极引线12；基座20，所述基座20的顶端表面设有多个测量区域21，每一所述测量区域21设有至少一个狭缝211，所述测量区域21以及所述狭缝211均设有第二导电部212，所述第二导电部212电连接第二电极引线213；所述基座20上还设有通孔22，所述毛杆10设于所述通孔22内并可相对所述基座20产生偏转，以对任一所述测量区域21的至少一个所述狭缝211产生挤压。

本实施例提供的仿生气流传感器100的工作原理如下：

本实施例提供的仿生气流传感器100是基于蝎子蛊毛对周围空气的微弱流动具有极其敏锐的感知能力，而蝎子的缝感受器可以将微小的应力放大多倍的原理进行的研究。

本实施例的仿生气流传感器100，在其基座20上设置了多个测量区域21，且每一测量区域21设有至少一个狭缝211，当有微小气流流过时，气流与毛杆10相互作用，使得毛杆10相对基座20偏转并对任一个测量区域21的至少一个狭缝211进行挤压，使得狭缝211发生部分贴合，形成回路。当气流愈大时，狭缝211被挤压的愈强烈，使得电阻显著减小，增加电子的通过率，通过对回路中电阻大小的测量即可量化流速大小，从而达到对微小气体流速测量的目的，一条狭缝211两条缝壁等效电阻公式：

R＝2 R_i+R_r||R_s (1)

式(1)中，其中R是等效电阻的大小，R_i是狭缝壁所在区域的电阻，R_r是狭缝重新贴合部位的电阻，R_s是狭缝壁未贴合部位的电阻。

同时由于毛杆10可以挤压任一个测量区域21，也即每一测量区域21对应不同的响应方向，以此达到测量流向的目的。

本实施例提供的仿生气流传感器100的有益效果至少在于：

本实施例提供的仿生气流传感器100，其以检测电阻变化为表征手段，毛杆10发生偏转以对测量区域21的至少一个狭缝进行挤压，回路中电阻阻值发生改变，且电阻值的大小会随着气流对毛杆10的挤压程度而变化，从而实现对气流流速进行检测，同时由于毛杆10可以挤压任一个测量区域21，也即每一测量区域21对应不同的响应方向，以此达到测量流向的目的，从而使得本实施例提供的仿生气流传感器100实现灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、故障率低、测量误差极小，可以精确测量气体流速流向，适用于各种气体微流速流向的检测，且结构简单、体积小、成本低廉，经济性好，易于批量生产。

可选的是，第一导电部11为涂设于毛杆10下端的导电材料层，毛杆10设有第一导电部11的一端插设于通孔22内。可选的是，第二导电部212为涂设于测量区域21表面和狭缝壁上的导电材料层。可选的是，导电材料层采用金属纳米粒子、碳纳米管、石墨烯或导电炭黑中的一种或多种。

在一个实施例中，请参阅图2和图4，所述通孔22内设有配重件30，所述配重件30设于所述毛杆10的端部，且所述配重件30与所述毛杆10通过连接件40连接，所述连接件40与所述通孔22的侧壁可转动连接。配重件30的设置用于在毛杆10产生偏转之后，也即测量完毕之后，辅助毛杆10恢复至原位。在具体测量过程中，当测试流速为V的气流时，气流对毛杆10的作用力F绕O点偏转一定角度θ，同时基座20的某一个测量区域21被压缩，毛杆10受到的弹力为N，配重件30对O点的弯矩为M，则毛杆10、连接件40以及配重件30的力矩平衡方程为：

F×H＝N×h+M (2)

式(2)中，H是力F相对于O点的高度，h是狭缝211相对于O点的高度，可以通过调整毛杆10的长度，以此改变其流速检测范围。

可选的是，配重件30可以由密度较大的材料制成，可以为金属材料，由于配重件30的设置是为了使毛杆10偏转后重新复位，其密度要求能够使得毛杆10偏转后可以复位即可，此处对配重件30的密度要求不作限制，配重件30的材料也不作限制。

在一个实施例中，请参阅图2，所述连接件40呈球形，所述通孔22的侧壁设有球形凹部221，所述连接件40设于所述球形凹部221内并可在所述球形凹部221内转动。球形凹部221与呈球形的连接件40配合，使得毛杆10、呈球形的连接件40、球形凹部221以及配重件30构成类似摆锤可摆动的结构，方便实现了毛杆10受气流影响产生偏转以对任一个测量区域21的至少一个狭缝211进行挤压，同时也方便实现配重件30带动毛杆10复位，其结构简单，运行平稳、灵活，提高了测量气体流速流向的精度。

在一个实施例中，请参阅图1和图3，所述狭缝211的宽度由开口端至闭合端逐渐减小，所述狭缝211呈V字型，其方便了对狭缝211挤压，使得狭缝211的狭缝壁贴合，以改变等效电阻的阻值，通过对回路中电阻大小的测量即可量化流速大小，从而实现对流速的测量。可选的是，狭缝211的纵向截面形状呈V字型。可选的是，狭缝211的横向截面形状呈弧形。可选的是，狭缝211的横向截面形状还可以呈S型。应该理解的是，狭缝211的纵向截面形状并不限于为V字型、狭缝211的横向截面形状并不限于为弧形或者S型，还可以是其他形状，此处不作限制。

在一个实施例中，每一所述测量区域21通过微纳加工有多条狭缝211，且任意两条所述狭缝211相互平行，相邻的所述狭缝211之间的间距相同。可选的是，呈V字型的狭缝211通过微纳加工而成，进而可以将狭缝211的尺寸做得尽可能小，实现可以在测量区域21加工尽可能多的狭缝211，在进行流速测量时，反应也更为灵敏，对流速的量化更为细致，并且可以对极其细微的气体做出响应。在一个实施例中，每一测量区域21设有1～20个狭缝211。可选的是，每一测量区域21设有8个狭缝211。应该理解的是，每一测量区域21设置的狭缝211数量并不限于为上述情形，还可以是其他形象，此处不作限制。

在一个实施例中，请参阅图1和图3，多个所述测量区域21呈环形阵列排布，每一所述测量区域21分别引出一个所述第二电极引线213，相邻的所述测量区域21之间设有嵌缝214。嵌缝214的设置实现将基座20顶端表面设置的多个测量区域21分开，方便毛杆10可以挤压任一个测量区域21，也即每一测量区域21对应不同的方向，以此达到测量流向的目的。

可选的是，基座20由弹性绝缘材料制成，也即测量区域21也为弹性绝缘材料。由于相邻的所述测量区域21之间设有嵌缝214，当毛杆10对由弹性绝缘材料制成的基座20产生挤压时，基座20产生弹性形变，进而使得检测狭缝211贴合以改变电阻的阻值，同时，嵌缝214的设置还可以作为弹性绝缘材料变形的预留空间。可选的是，弹性绝缘材料为乳胶或者硅胶。应该理解的是，弹性绝缘材料并不限于为乳胶或者硅胶，还可以是其他，此处不作限制。

在一个实施例中，将基座20的顶部表面均匀划分尽可能多的测量区域21，从而实现任意方向的检测。可选的是，基座20的顶端表面设有2～16个测量区域21。可选的是，基座20的顶端表面设有8个测量区域21，8个所述测量区域21呈环形阵列排布。应当理解的是，测量区域21的设置数量和排布方式并不限于为上述情形，还可以是其他情形，此处不作限制。在一优选实施例中，

在一个实施例中，请参阅图2，所述通孔22的截面形状呈圆形，所述毛杆10的截面形状呈圆形，所述通孔22的内径大于所述毛杆10的外径。由于毛杆10插设于通孔22内，将通孔22的内径设置为大于毛杆10的外径，方便实现毛杆10的偏转，进而方便实现毛杆10在气流的作用下对任一个测量区域21的挤压。应该理解的是，通孔22的截面形状和毛杆10的截面形状并不限于为上述的圆形，还可以是其他的形状，此处不作限制。

在一个实施例中，所述毛杆10由轻质高强度绝缘材料制成，所述毛杆10的长径比为50～100。毛杆10的长径比可以根据实际情况进行调整，以此改变其流速检测范围。可选的是，所述毛杆10的长径比为50。可选的是，所述毛杆10的长径比为80。可选的是，所述毛杆10的长径比为100。应该理解的是，毛杆10的长径比并不限于为上述情形，还可以是其他数值，此处不作限制。可选的是，毛杆10的材料为碳纤维或者玻璃纤维制成。应该理解的是，毛杆10的材料并不限于为上述情形，还可以是其他情形，此处不作限制。

在一个实施例中，请参阅图1和图2，所述仿生气流传感器100还包括固定座50，所述固定座50上设有容置腔，所述基座20设于所述容置腔内并所述容置腔配合连接。固定座50的设置用于对基座20的结构进行固定，方便毛杆10在相对基座20偏转时，其整体结构稳定，并提高毛杆10偏转挤压测量区域21的灵敏度。

本实施例还提供一种气流检测装置，包括上述所述的仿生气流传感器100。由于仿生气流传感器100的结构已经在上文中进行详细描述，此处不再赘述。

综上所述，本实施例提供了一种仿生气流传感器100，包括：毛杆10，所述毛杆10上设有第一导电部11，所述第一导电部11电连接第一电极引线12；基座20，所述基座20的顶端表面设有多个测量区域21，每一所述测量区域21设有至少一个狭缝211，所述测量区域21以及所述狭缝211均设有第二导电部212，所述第二导电部212电连接第二电极引线213；所述基座20上还设有通孔22，所述毛杆10设于所述通孔22内并可相对所述基座20产生偏转，以对任一所述测量区域21的至少一个所述狭缝211产生挤压。本实施例还提供一种气流检测装置，包括上述所述的仿生气流传感器100。本实施例提供的仿生气流传感器100以及气流检测装置，其以检测电阻变化为表征手段，毛杆10发生偏转以对测量区域21的至少一个狭缝进行挤压，回路中电阻阻值发生改变，且电阻值的大小会随着气流对毛杆10的挤压程度而变化，从而实现对气流流速进行检测，同时由于毛杆10可以挤压任一个测量区域21，也即每一测量区域21对应不同的响应方向，以此达到测量流向的目的，从而使得本实施例提供的仿生气流传感器100以及气流检测装置实现灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、故障率低、测量误差极小，可以精确测量气体流速流向，适用于各种气体微流速流向的检测，且结构简单、体积小、成本低廉，经济性好，易于批量生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种仿生气流传感器，其特征在于，包括：

毛杆，所述毛杆上设有第一导电部，所述第一导电部电连接第一电极引线；

基座，所述基座的顶端表面设有多个测量区域，每一所述测量区域设有至少一个狭缝，所述测量区域以及所述狭缝均设有第二导电部，所述第二导电部电连接第二电极引线；

所述基座上还设有通孔，所述毛杆设于所述通孔内并可相对所述基座产生偏转，以对任一所述测量区域的至少一个所述狭缝产生挤压；

所述狭缝的宽度由开口端至闭合端逐渐减小，所述狭缝呈V字型；

每一所述测量区域通过微纳加工有多条狭缝，且任意两条所述狭缝相互平行，相邻的所述狭缝之间的间距相同；

多个所述测量区域呈环形阵列排布，每一所述测量区域分别引出一个所述第二电极引线，相邻的所述测量区域之间设有嵌缝；

所述通孔内设有配重件，所述配重件设于所述毛杆的端部，且所述配重件与所述毛杆通过连接件连接，所述连接件与所述通孔的侧壁可转动连接；

当测试流速为V的气流时，气流对毛杆的作用力F绕O点偏转一定角度θ，同时基座的某一个测量区域被压缩，毛杆受到的弹力为N，配重件对O点的弯矩为M，则毛杆、连接件以及配重件的力矩平衡方程为：

F×H＝N×h+M

其中，H是力F相对于O点的高度，h是狭缝相对于O点的高度；

所述连接件呈球形，所述通孔的侧壁设有球形凹部，所述连接件设于所述球形凹部内并可在所述球形凹部内转动；

所述通孔的截面形状呈圆形，所述毛杆的截面形状呈圆形，所述通孔的内径大于所述毛杆的外径。

2.根据权利要求1所述的仿生气流传感器，其特征在于，所述毛杆由轻质高强度绝缘材料制成，所述毛杆的长径比为50～100。

3.根据权利要求1～2任一项所述的仿生气流传感器，其特征在于，所述仿生气流传感器还包括固定座，所述固定座上设有容置腔，所述基座设于所述容置腔内并所述容置腔配合连接。

4.一种气流检测装置，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的仿生气流传感器。

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