CN216816723U - 一种基于压电技术的二维风速传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了气象探测技术领域中一种基于压电技术的二维风速传感器，二维风速传感器包括八边形仪器外壳，所述八边形仪器外壳内设有内壁支撑板，八边形仪器外壳与内壁支撑板之间设有轴向分布的压电传感器单元，内壁支撑板内部设置有供电模块、数据采集模块、数据存储与传输模块，压电传感器单元包括外壳，外壳最外端设置有弹性金属膜，弹性金属膜后设置有压电陶瓷柱，压电陶瓷柱后端设有固定连接的刚性支撑板，外壳内设有电源转换模块。本实用新型二维风速传感器提出使用极为灵敏的压电陶瓷作为感应元件，来制作风速风向传感器，具有灵敏度高、可靠性稳定、功耗低的优点；可在探测风速风向的同时，同步探测降水降雪现象。

Description

一种基于压电技术的二维风速传感器

技术领域

本实用新型涉及一种气象探测技术领域，具体是一种基于压电技术的二维风速传感器。

背景技术

在气象领域中，风一般是指空气的水平运动，不仅有数值的大小(即风速)，还具有方向(即风向)，因此是一个矢量。目前采用测量风速的仪器有：①风速感应器：由于风杯之间垂直于风杯轴方向上存在压力差，使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。当作用在三个风杯上的风压差为0时，风杯就做匀速转动，这样根据风杯的转速(每分钟转的圈数)就可以确定风速的大小。②风速传感器：机械式、电接式、电机式、磁感式和光电式(多齿光盘)，其中最常用的是多齿光盘。

比较现代化的测量风速和风向的仪器有：①超声波时差法风速仪，有着无需启动风速、无活动部件(即无磨损)的优点，基于此改进的二维超声波时差法风速仪由四个超声波换能器组成，分别置于东南西北四个方向，通过各个方向的矢量合成计算风速大小并测量方向。中国专利ZL202111104292.X公开了一种在原有基础上增加了反射面的反射式超声波时差法风速风向仪，使接受信号更加全面，但是不同角度阻塞面积会不同地导致的风速测量误差，大风时会有信号的衰减和丢失。②热线风速仪：一种将流速信号转为电信号的仪器，将加热过后的金属丝置于待测气流中，在其他条件相同的情况下散热效果取决于气流流速，热线温度变化使金属丝电阻变化，信号转换完成。有恒温式和恒流式两种测量方法，分别使温度和电流恒定，根据施加电流和温度的变化测量风速。中国专利ZL202110734124.2公开了一种适用于高速流场测量的热线风速仪，对热线探头测量信号的耦合干扰信号进行处理，能够解决高速流场测量中的支架振动、可压流动导致静压脉动干扰等问题，可明显提高热线在高速流场中测量的精度达20％，缩短测量时间70％，测量更加准确。

目前气象站主要使用的机械式风速风向仪的探测精度、低风速灵敏度、耐久性都有待提升；而超声风速仪虽然精度较高，但成本昂贵，不适合大范围组网观测；热线式风速仪适用场合有较大局限性，且精度较低。为此我们提出一种基于压电技术的二维风速传感器用于解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于压电技术的二维风速传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于压电技术的二维风速传感器，二维风速传感器包括八边形仪器外壳，所述八边形仪器外壳内设有内壁支撑板，八边形仪器外壳与内壁支撑板之间设有轴向分布的压电传感器单元，内壁支撑板内部设置有供电模块、数据采集模块、数据存储与传输模块，供电模块、数据采集模块和数据存储与传输模块通过连接杆与内壁支撑板紧固连接，压电传感器单元外部设有外壳，外壳最外端设置有弹性金属膜，弹性金属膜后设置有压电陶瓷柱，压电陶瓷柱后端设有固定连接的刚性支撑板，压电陶瓷柱通过刚性支撑板与控制电路模块由导线相连，外壳内设有电源转换模块，控制电路模块与电源转换模块之间由导线连接。

优选地，所述压电传感器单元数量为8个，每两个相邻的压电传感器单元之间的指向夹角为45°。

优选地，所述供电模块负责提供电力，数据采集模块、数据存储与传输模块用作数据传感器传输数据给处理元件。

优选地，所述弹性金属膜为铜制或铝制薄膜，压电陶瓷柱前端与弹性金属膜紧密贴合，压电传感器单元由PZT压电陶瓷晶体构成。

优选地，所述压电传感器单元通过受到不同风压时产生的压电信号量不同，对应电阻的电阻率也不同，电路检测电阻大小进行计算风速大小。

优选地，风场携带的大气分子对多个所述压电传感器单元的弹性金属膜造成撞击，从而产生风压，压电传感器单元获取信号值，根据不同方位上的信号值大小来计算风速与风向。

优选地，当接收信号超过一般风压信号阈值时，被判定为有降水现象出现。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型二维风速传感器提出使用极为灵敏的压电陶瓷作为感应元件，来制作风速风向传感器，具有无机械运动部件、灵敏度高、可靠性稳定、功耗低的优点；

2.本实用新型二维风速传感器的体积小巧、标定方法便捷、仪器一致性好，利于大规模组网观测，提升数据质量；

3.本实用新型二维风速传感器通过阈值判别法，可在探测风速风向的同时，同步探测降水降雪现象；

4.本实用新型二维风速传感器有很好的扩展性，可耦合多个其它气象参量传感器，完成多参数的协同观测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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实用新型的一些实施例，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是本实用新型二维风速传感器内部结构示意图；

图2是本实用新型中压电传感器单元结构示意图；

图3是本实用新型二维风速传感器的测量原理示意图。

图中：1、压电传感器单元；2、八边形仪器外壳；3、内壁支撑板；4、供电模块；5、数据采集模块；6、数据存储与传输模块；7、连接杆；8、弹性金属薄膜；9、压电陶瓷柱；10、刚性支撑板；11、控制电路模块；12、电源转换模块；13、外壳；14、风向。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。

请参阅图1至图3所示，一种基于压电技术的二维风速传感器，二维风速传感器包括八边形仪器外壳2，八边形仪器外壳2内设有内壁支撑板3，八边形仪器外壳2与内壁支撑板3之间设有轴向分布的压电传感器单元1，压电传感器单元1数量为八个，每两个相邻的压电传感器单元1之间的指向夹角为45°，是用于测量不同方向的风压，内壁支撑板3内部设置有供电模块4、数据采集模块5、数据存储与传输模块6，供电模块4负责提供电力，数据采集模块5、数据存储与传输模块6用作数据传感器传输数据给处理元件，供电模块4、数据采集模块5和数据存储与传输模块6通过连接杆7与内壁支撑板3紧固连接。

进一步的，如图2所示，压电传感器单元1的外壳13最外端设置有弹性金属膜8，一般为铜制或铝制薄膜，质软且弹性较好，用于感受风压；弹性金属膜8后设置若干(3～5个)压电陶瓷柱9，其中，压电陶瓷柱9前端与弹性金属膜8紧密贴合，用于感应弹性金属膜8的形变量，其后端则与刚性支撑板10紧密固定；刚性支撑板10固定于外壳，用于压电陶瓷柱9，使其后端不会产生形变；控制电路模块11与电源转换模块12之间由导线连接，压电陶瓷柱9通过刚性支撑板10与控制电路模块11由导线相连，压电传感器单元1主要由PZT压电陶瓷晶体构成，受到不同风压时产生的压电信号量不同，对应电阻的电阻率也不同，通过电路检测电阻大小进而反推风速大小。

进一步的，如图3所示，二维风速传感器整体呈正八边形体薄片状，风阻很小，导致的风场绕流效应相对较小，当风沿着风向14从任意方向流经时，风场携带的大气分子会对多个压电传感器单元1的弹性金属膜8造成撞击，从而产生风压，由于风压的存在，压电传感器单元1便可获取信号值，从而根据不同方位上的信号值大小来计算风速与风向，当有降水现象时，风会夹带降水粒子撞击压电传感器单元1的弹性金属膜8，产生的压力远大于水平风自身的风压，因此，当接收信号超过一般风压信号阈值时，被判定为有降水现象出现。

工作原理：

使用时，首先，室内定标，将二维风速传感器置于标准风洞检测装置中，记录不同标准风速下仪器的输出信号值，做线性修正和截距补偿，最终将初始电位订正至0；

然后，在室外需要测量的高度上，选择合适的支架安装仪器，保证设备水平固定；

最后，开机，执行长期观测，一旦有风现象出现，弹性金属膜8发生形变，压电陶瓷柱9受到压力产生压电效应，数据传输至控制电路模块11，由导线传输到数据采集模块5和数据存储与传输模块6中，完成测量和记录。

本发明的目的是通过更加灵敏的电学元件完善现有测量元件的缺陷，将风速用风对弹性金属膜的冲量大小进而转换成电位差表示，可以避免人工观测误差(读数错误)以及仪器误差(风杯与风向杆之间有铁锈或者冻结)，提供更加准确的气象资料。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (7)

1.一种基于压电技术的二维风速传感器，二维风速传感器包括八边形仪器外壳(2)，其特征在于，所述八边形仪器外壳(2)内设有内壁支撑板(3)，八边形仪器外壳(2)与内壁支撑板(3)之间设有轴向分布的压电传感器单元(1)，内壁支撑板(3)内部设置有供电模块(4)、数据采集模块(5)、数据存储与传输模块(6)，供电模块(4)、数据采集模块(5)和数据存储与传输模块(6)通过连接杆(7)与内壁支撑板(3)紧固连接，压电传感器单元(1)包括外壳(13)，外壳(13)最外端设置有弹性金属膜(8)，弹性金属膜(8)后设置有压电陶瓷柱(9)，压电陶瓷柱(9)后端设有固定连接的刚性支撑板(10)，压电陶瓷柱(9)通过刚性支撑板(10)与控制电路模块(11)由导线相连，外壳(13)内设有电源转换模块(12)，控制电路模块(11)与电源转换模块(12)之间由导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的二维风速传感器,其特征在于，所述压电传感器单元(1)数量为8个，每两个相邻的压电传感器单元(1)之间的指向夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的二维风速传感器,其特征在于，所述供电模块(4)负责提供电力，数据采集模块(5)、数据存储与传输模块(6)用作数据传感器传输数据给处理元件。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的二维风速传感器,其特征在于，所述弹性金属膜(8)为铜制或铝制薄膜，压电陶瓷柱(9)前端与弹性金属膜(8)紧密贴合，压电传感器单元(1)由PZT压电陶瓷晶体构成。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的二维风速传感器,其特征在于，所述压电传感器单元(1)通过受到不同风压时产生的压电信号量不同，对应电阻的电阻率也不同，电路检测电阻大小进行计算风速大小。

6.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的二维风速传感器,其特征在于，风场携带的大气分子对多个所述压电传感器单元(1)的弹性金属膜(8)造成撞击，从而产生风压，压电传感器单元(1)获取信号值，根据不同方位上的信号值大小来计算风速与风向。

7.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的二维风速传感器,其特征在于，当接收信号超过一般风压信号阈值时，被判定为有降水现象出现。

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