CN211453678U - 基于pvdf压力传感器的三维流速仪 - Google Patents

基于pvdf压力传感器的三维流速仪 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于PVDF压力传感器的三维流速仪，包括中空管、PVDF压力传感器、中空球、导线和信号处理器，所述中空球外表面均设置有中空管，所述中空管共有六个，且分别位于中空球中心对称的六个方向上并与中空球相连，所述中空管横截面中心位置设置有PVDF压力传感器，所述中空球内部设置有信号处理器，所述中空球内部设置有导线，本实用新型能够实现对水流某点的三维速度的测量，通过对六个速度的矢量合成，得到更加接近于水流该点的实际速度的大小和方向，有助于进一步研究水流的三维流动规律；还能够测得随时间连续变化的动态速度，有助于研究速度在时间上变化的连续性，该装置操作简单，使用方便，造价低，更加满足于市场的需求。

Description

基于PVDF压力传感器的三维流速仪
技术领域
本实用新型涉及水文测量技术领域，具体涉及一种基于PVDF压力传感器的三维流速仪。
背景技术
流量是反映江河、湖泊、水库等流体水量变化的基本参数,流速仪法即流速面积法是流量测验最基本的方法。随着水流速度测量技术的发展，流速仪的种类日益增多。目前用于测量水流流速的流速仪主要有转子式流速仪、声学多普勒流速仪(ADCP)、电磁流速仪和电波流速仪等。但在这些流速仪中，有的价格便宜，但流速测量的灵敏度较低，比如转子式流速仪等；有的测量精度较高，但价格要比普通流速仪高得多，比如声学多普勒流速仪(ADCP)、电磁流速仪和电波流速仪等。并且目前这些流速仪大多只能测量水流单方向的流速，对于测量水体中某一点的三维流速比较困难。
随着国内外对PVDF压电薄膜传感器的研究，PVDF压电薄膜传感器的研制已经得到快速发展。PVDF压电薄膜传感器在测量压力时具有较高的灵敏度、较低的迟滞性误差和重复性误差等优点，并且能够满足水流脉动压力的测量需求。利用PVDF压力传感器测量压力的优点，将PVDF压力传感器应用于流速仪中，来测量水流流速的大小。
目前，市场上迫切需要一种测量精度高、原理简单、操作方便、造价低，同时又能测量水流中某点三维流速的水流流速仪。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的目前这些流速仪大多只能测量水流单方向的流速，对于测量水体中某一点的三维流速比较困难问题，提供一种基于PVDF压力传感器的三维流速仪，该基于PVDF压力传感器的三维流速仪，根据PVDF压电膜片的传感原理，可把水流对PVDF压电膜片的压力信号转换成电信号，得到PVDF压电膜片两极之间的电压与PVDF压电膜片表面所受应力之间的关系；再基于动量定理得到水流的流速与PVDF压电膜片表面的应力之间的关系，进而得到流速与PVDF压电膜片两极之间的电压之间的关系，从而得到六个方向的流速；最后对六个方向的速度进行矢量合成，得到该点实际速度的方向和大小。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于PVDF压力传感器的三维流速仪，包括中空管、PVDF压力传感器、中空球、导线和信号处理器，所述中空球外表面均设置有中空管，所述中空管共有六个，且分别位于中空球中心对称的六个方向上并与中空球相连，所述中空管横截面中心位置设置有PVDF压力传感器，所述中空球内部设置有信号处理器，所述中空球内部设置有导线。
优选的，六个所述中空管大小相等。
优选的，所述中空球的直径大于中空管的直径。
优选的，六个所述PVDF压力传感器大小相等。
优选的，所述导线分别与PVDF压力传感器、信号处理器电性连接。
优选的，所述PVDF压力传感器共有六个，且均与中空球相连。
与现有技术相比，本实用新型提供了一种基于PVDF压力传感器的三维流速仪，具备以下有益效果：
1、本实用新型能够实现对水流某点的三维速度的测量，通过对六个速度的矢量合成，得到更加接近于水流该点的实际速度的大小和方向，有助于进一步研究水流的三维流动规律；
2、本实用新型充分利用PVDF压力传感器的高灵敏度、较低的重复性误差和迟滞性误差等优点，从中得到较为准确的电压值，从而保证了所求速度的准确性；
3、本实用新型还能够测得随时间连续变化的动态速度，有助于研究速度在时间上变化的连续性，该装置操作简单，使用方便，造价低，更加满足于市场的需求；
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本实用新型结构科学合理，使用安全方便，为人们提供了很大的帮助。
附图说明
图1为本实用新型的结构简图；
图2为本实用新型的正视图；
图3为本实用新型的原理剖面图。
附图标记说明
1、中空管；2、PVDF压力传感器；3、中空球；4、导线；5、信号处理器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种基于PVDF压力传感器的三维流速仪，包括中空管1、PVDF压力传感器2、中空球3、导线4和信号处理器5，中空球3外表面均设置有中空管1，中空管1共有六个，且分别位于中空球3中心对称的六个方向上并与中空球3相连，中空管1横截面中心位置设置有PVDF压力传感器2，中空球3内部设置有信号处理器5，中空球3内部设置有导线4。
参阅图1和图2，当水流进入各个中空管1内后，将对各个PVDF压力传感器2施加动水压力，PVDF压力传感器2将压力信号转化为电信号，电信号通过内部存放的导线4到达信号处理器5，得到相应的电压值。通过推导得到电压与水流流速之间的关系：v＝(ε0εrU)/(d33tβρ)，其中U为PVDF压力传感器2两板间的电压，单位V，ε0为真空介电常数，εr为高分子相对介电常数，d33为压电应变常数，t为PVDF压力传感器2薄膜的厚度，单位m，β动量修正系数，ρ为水的密度，单位kg/m3。
参阅图3，所述中空球3内部有存放的导线4和位于中心的信号处理器5：所述导线4与PVDF压力传感器2和信号处理器5相连。
所述的位于六根中空管1的横截面中心并靠近中空球3表面位置的六个PVDF压力传感器2能够测出六个方向的压力，连接信号处理器5从而得到六个方向的流速。
使用时，将流速仪放入均匀水流中，使六根中空管1完全浸没在水流中，其中一个中空管1的进口对准水流方向，利用水流对PVDF压力传感器2的冲击得到垂直于PVDF压力传感器2表面的应力，利用信号处理器5将PVDF压力传感器2的压力信号转化成电信号。
本实用新型中，优选的，六个中空管1大小相等，中空球3的直径大于中空管1的直径，六个PVDF压力传感器2大小相等，导线4分别与PVDF压力传感器2、信号处理器5电性连接，PVDF压力传感器2共有六个，且均与中空球3相连。
本实用新型的工作原理及使用流程：使用时，将流速仪的其中一个中空管1的横截面的法线与水流方向保持平行，将流速仪放在水流待测点的位置，并开始记录数据。根据PVDF压力传感器2的传感原理得到压力和电压之间的关系：U＝(d33tT3)/(ε0εr)，其中，T为水流对PVDF压力传感器2作用的动水压力，单位N，再根据动量定理得到速度与压力之间的关系：v＝(T3)/(βρ)，其中，v为水流的速度，即可利用PVDF压力传感器2的电压值得到水流的速度的大小。由于中空管1的方向已经确定，水流的方向也得到确定。最后对六个方向的速度进行矢量合成，最终实现对水流某点的三维流速和该点的实际流速的测量目的。
本实用新型能够实现对水流某点的三维速度的测量，通过对六个速度的矢量合成，得到更加接近于水流该点的实际速度的大小和方向，有助于进一步研究水流的三维流动规律；
本实用新型充分利用PVDF压力传感器的高灵敏度、较低的重复性误差和迟滞性误差等优点，从中得到较为准确的电压值，从而保证了所求速度的准确性；
本实用新型还能够测得随时间连续变化的动态速度，有助于研究速度在时间上变化的连续性，该装置操作简单，使用方便，造价低，更加满足于市场的需求；
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本实用新型结构科学合理，使用安全方便，为人们提供了很大的帮助。
以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于PVDF压力传感器的三维流速仪，包括中空管(1)、PVDF压力传感器(2)、中空球(3)、导线(4)和信号处理器(5)，其特征在于：所述中空球(3)外表面均设置有中空管(1)，所述中空管(1)共有六个，且分别位于中空球(3)中心对称的六个方向上并与中空球(3)相连，所述中空管(1)横截面中心位置设置有PVDF压力传感器(2)，所述中空球(3)内部设置有信号处理器(5)，所述中空球(3)内部设置有导线(4)。
2.根据权利要求1所述的基于PVDF压力传感器的三维流速仪，其特征在于，六个所述中空管(1)大小相等。
3.根据权利要求1所述的基于PVDF压力传感器的三维流速仪，其特征在于，所述中空球(3)的直径大于中空管(1)的直径。
4.根据权利要求1所述的基于PVDF压力传感器的三维流速仪，其特征在于，六个所述PVDF压力传感器(2)大小相等。
5.根据权利要求1所述的基于PVDF压力传感器的三维流速仪，其特征在于，所述导线(4)分别与PVDF压力传感器(2)、信号处理器(5)电性连接。
6.根据权利要求1所述的基于PVDF压力传感器的三维流速仪，其特征在于，所述PVDF压力传感器(2)共有六个，且均与中空球(3)相连。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113218371A (zh) * 2021-04-25 2021-08-06 海南热带海洋学院 一种水流方向及水下压力的快速测量系统及其方法

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