WO2019242346A1 - 一种超宽量程风速仪及制造方法 - Google Patents

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宋坤
吴启强
黄庆安
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Abstract

本发明涉及一种超宽量程风速仪，包括底座(1)、感风平台(2)、弹性支撑柱(3)、隔热板(4)、加热元件(5)、四个测温元件(61)、四根刚性支撑柱(71)、四块矩形平面下电极(81)和四个电极组，基于上述硬件进行组合，构建超宽量程风速仪，并与之相应提出针对所设计超宽量程风速仪的制造方法，具有如下优点：1)在低风速下具有极高的精度；2)可在高风速下精确测量风速风向数据；3)在中等风速下，两组测量原理获得风速可进行相互验证和校准，进一步提高传感器的精度；4)两组原理所获测风数据可以用于传感器的自检，实现传感器好坏的自动判断；5)感风平台(2)的倒扣杯形设计可以有效阻挡灰尘和雨水等影响电容敏感元件。

Description

一种超宽量程风速仪及制造方法 技术领域
本发明涉及一种超宽量程风速仪及制造方法，属于风速测量技术领域。
背景技术
风速风向是反映气象形势非常重要的参数，风速和风向的检测在环境检测、空气调节和工农业的生产中有着重要影响，因此快速精确测量出风速和风向具有重要的实际意义。传统的风速传感器多种多样，也能实现不同风速的精确测量，但是存在致命的缺陷，即只能高精度的测量低风速或高风速。对热式风速传感器来说，传统温度传感器在低风速影响下，温度场不易受影响，温度差明显，能够精确测得风速风向，但是高风速下，温度差非常小，无法精确测量风速。而传统应力传感器在高风速下，受应力影响较大，能够精确测量高风速，但是在低风速下，应力差较小，不易精确测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种将热膜原理和电容敏感原理结合，具有高精度测量的超宽量程风速仪。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种超宽量程风速仪，包括底座(1)、感风平台(2)、弹性支撑柱(3)、隔热板(4)、加热元件(5)、四个测温元件(61)、四根刚性支撑柱(71)、四块矩形平面下电极(81)和四个电极组；
其中，底座(1)的上、下表面彼此平行，弹性支撑柱(3)的其中一端与底座(1)上表面的中心位置相固定连接，且弹性支撑柱(3)所在直线与底座(1)上表面相垂直；感风平台(2)的上、下表面彼此平行，感风平台(2)上表面中心位置与下表面中心位置、在垂直于感风平台(2)上表面方向上的投影彼此相重合；弹性支撑柱(3)的另一端与感风平台(2)下表面的中心位置相固定连接，且弹性支撑柱(3)所在直线与感风平台(2)下表面相垂直；
隔热板(4)内嵌设置于感风平台(2)的上表面，且隔热板(4)的上表面与感风平台(2)的上表面相平齐，以及隔热板(4)表面中心位置与感风平台(2)上表面中心位置彼此相重合；感风平台(2)上表面、位于隔热板(4)正下方的位置设置凹陷区，且感风平台(2)上表面的中心位置位于凹陷区内；加热元件(5)固定设置于隔热板(4)下表面的中心位置；四个测温元件(61)均位于凹陷区内，四个测温元件(61)围绕加热元件(5)、分别设置于隔热板(4)的下表面，且四个测温元件(61)围绕加热元件(5)呈 正交对称分布；
感风平台(2)下表面、围绕感风平台(2)下表面中心位置设置四个矩形凹槽，各矩形凹槽内底面所在平面均与感风平台(2)下表面所在平面相平行，矩形凹槽的内部结构为长方体，四个矩形凹槽敞开口中心位置围绕感风平台(2)下表面中心位置呈正交对称分布，隔热板(4)下表面中心位置到各矩形凹槽长边的距离所在直线、与隔热板(4)下表面中心位置到该矩形凹槽长边中点位置连线所在直线相重合；
四个矩形凹槽与四个测温元件(61)彼此一一对应，以俯视感风平台(2)上表面方向的投影，感风平台(2)上表面中心位置分别到各测温元件(61)的连线所在直线、分别与感风平台(2)上表面中心位置到对应矩形凹槽中心位置连线所在直线相重合；
各个矩形凹槽、各根刚性支撑柱(71)、各块矩形平面下电极(81)、各个电极组四者彼此一一对应；各个电极组分别均包括两块矩形平面上电极(91)，矩形平面上电极(91)长边的长度与矩形凹槽内底面长边的长度相适应，矩形凹槽内底面宽边的长度大于矩形平面上电极(91)宽边长度的两倍，各电极组中两块矩形平面上电极(91)固定设置于对应矩形凹槽的内底面上，各电极组中两块矩形平面上电极(91)彼此共面，各块矩形平面上电极(91)的长边均与对应矩形凹槽内底面长边相平行，各块矩形平面上电极(91)的宽边分别与对应矩形凹槽内底面上对应宽边相对接，各电极组中两块矩形平面上电极(91)彼此相对长边之间保持间隙；矩形平面下电极(81)的长边长度短于矩形平面上电极(91)的长度，矩形平面下电极(81)的宽边长度大于各电极组中两块矩形平面上电极(91)相对长边之间的间隙间距；各块矩形平面下电极(81)分别位于对应电极组中两块矩形平面上电极(91)之间间隙的正下方，矩形平面下电极(81)所在平面与对应电极组中两块矩形平面上电极(91)所在平面相平行，矩形平面下电极(81)所在平面与对应电极组中两块矩形平面上电极(91)所在平面之间保持预设间距间隙，且矩形平面下电极(81)长边与对应电极组中矩形平面上电极(91)长边相平行；各根刚性支撑柱(71)的其中一端与对应矩形平面下电极(81)下表面中心位置相固定连接，且各根刚性支撑柱(71)所在直线分别与对应矩形平面下电极(81)所在面相垂直，各根刚性支撑柱(71)的另一端垂直固定连接于底座(1)的上表面。
作为本发明的一种优选技术方案：所述隔热板(4)为低热导率薄层绝缘材料制成。
作为本发明的一种优选技术方案：所述隔热板(4)为薄型氧化铝陶瓷片。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括沿所述感风平台(2)下表面边缘一周设置的闭环围边(10)，且闭环围边(10)向着所述底座(1)方向凸起。
作为本发明的一种优选技术方案：所述感风平台(2)为圆柱体形状。
作为本发明的一种优选技术方案：所述弹性支撑柱(3)为中空圆柱形结构。
与上述方案相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种针对超宽量程风速仪的制造方法，能够快速、高效的完成所设计风速仪的制造。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种针对超宽量程风速仪的制造方法，包括如下步骤：
步骤A.采用塑料开模方式，完成底座(1)和感风平台(2)的加工，其中感风平台(2)下表面各矩形凹槽内分别预先埋入对应电极组；
步骤B.采用薄型氧化铝陶瓷片构成隔热板(4)，在隔热板(4)背面溅射金属铂，并进行剥离光刻形成加热元件(5)和各个测温元件(61)，然后再溅射金薄膜，采用剥离工艺形成焊盘，用于连接、并针对加热元件(5)和各个测温元件(61)进行通电、控制；
步骤C.采用硅橡胶加工形成内部中空的弹性支撑柱(3)，选取金属铜加工形成各块矩形平面下电极(81)、以及各根刚性支撑柱(71)；
步骤D.将弹性支撑柱(3)和感风平台(2)底部用环氧胶固定，将四根刚性支撑柱(71)通过螺丝固定在底座(1)上；
步骤E.将隔热板(4)的焊盘采用导线焊接出来，连同各电极组中两块矩形平面上电极(91)的电极，引线穿过弹性支撑柱(3)的中空区域至到底座(1)内部的电路板上；弹性支撑柱(3)的下部和底座(1)采用环氧胶固定。
本发明所述一种超宽量程风速仪及制造方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明设计一种超宽量程风速仪及制造方法，具有如下优点：1)采用热温差测风，在低风速下具有极高的精度；2)采用电容测风原理，可在高风速下精确测量风速风向数据；3)在中等风速下，两组测量原理获得风速可进行相互验证和校准，进一步提高传感器的精度；4)两组原理所获测风数据可以用于传感器的自检，实现传感器的好坏的自动判断；5)感风平台(2)的倒扣杯形设计可以有效阻挡灰尘和雨水等影响电容敏感元件。
附图说明
图1是本发明所设计超宽量程风速仪的剖面示意图；
图2是本发明所设计超宽量程风速仪的俯视示意图。
其中，1.底座，2.感风平台，3.弹性支撑柱，4.隔热板，5.加热元件，61.测温元件，71.刚性支撑柱，81.矩形平面下电极，91.矩形平面上电极，10.闭环围边。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所设计一种超宽量程风速仪，实际应用当中，如图1和图2所示，具体包括底座(1)、感风平台(2)、弹性支撑柱(3)、隔热板(4)、加热元件(5)、四个测温元件(61)、四根刚性支撑柱(71)、四块矩形平面下电极(81)、四个电极组和闭环围边(10)。
其中，底座(1)的上、下表面彼此平行，实际应用中，弹性支撑柱(3)可以设计为中空圆柱形结构，弹性支撑柱(3)的其中一端与底座(1)上表面的中心位置相固定连接，且弹性支撑柱(3)所在直线与底座(1)上表面相垂直；实际应用中，感风平台(2)可以选择为圆柱体形状，感风平台(2)的上、下表面彼此平行，感风平台(2)上表面中心位置与下表面中心位置、在垂直于感风平台(2)上表面方向上的投影彼此相重合；弹性支撑柱(3)的另一端与感风平台(2)下表面的中心位置相固定连接，且弹性支撑柱(3)所在直线与感风平台(2)下表面相垂直。
隔热板(4)为低热导率薄层绝缘材料制成，具体实际应用可以选择薄型氧化铝陶瓷片；隔热板(4)内嵌设置于感风平台(2)的上表面，且隔热板(4)的上表面与感风平台(2)的上表面相平齐，以及隔热板(4)表面中心位置与感风平台(2)上表面中心位置彼此相重合；感风平台(2)上表面、位于隔热板(4)正下方的位置设置凹陷区，且感风平台(2)上表面的中心位置位于凹陷区内；加热元件(5)固定设置于隔热板(4)下表面的中心位置；四个测温元件(61)均位于凹陷区内，四个测温元件(61)围绕加热元件(5)、分别设置于隔热板(4)的下表面，且四个测温元件(61)围绕加热元件(5)呈正交对称分布。
闭环围边(10)沿感风平台(2)下表面边缘一周设置，且闭环围边(10)向着所述底座(1)方向凸起；使得感风平台(2)构成倒扣杯形设计；感风平台(2)下表面、围绕感风平台(2)下表面中心位置设置四个矩形凹槽，各矩形凹槽内底面所在平面均与感风平台(2)下表面所在平面相平行，矩形凹槽的内部结构为长方体，四个矩形凹槽敞开口中心位置围绕感风平台(2)下表面中心位置呈正交对称分布，隔热板(4)下表面中心位置到各矩形凹槽长边的距离所在直线、与隔热板(4)下表面中心位置到该矩形凹槽长边中点位置连线所在直线相重合。
四个矩形凹槽与四个测温元件(61)彼此一一对应，以俯视感风平台(2)上表面方 向的投影，感风平台(2)上表面中心位置分别到各测温元件(61)的连线所在直线、分别与感风平台(2)上表面中心位置到对应矩形凹槽中心位置连线所在直线相重合。
各个矩形凹槽、各根刚性支撑柱(71)、各块矩形平面下电极(81)、各个电极组四者彼此一一对应；各个电极组分别均包括两块矩形平面上电极(91)，矩形平面上电极(91)长边的长度与矩形凹槽内底面长边的长度相适应，矩形凹槽内底面宽边的长度大于矩形平面上电极(91)宽边长度的两倍，各电极组中两块矩形平面上电极(91)固定设置于对应矩形凹槽的内底面上，各电极组中两块矩形平面上电极(91)彼此共面，各块矩形平面上电极(91)的长边均与对应矩形凹槽内底面长边相平行，各块矩形平面上电极(91)的宽边分别与对应矩形凹槽内底面上对应宽边相对接，各电极组中两块矩形平面上电极(91)彼此相对长边之间保持间隙；矩形平面下电极(81)的长边长度短于矩形平面上电极(91)的长度，矩形平面下电极(81)的宽边长度大于各电极组中两块矩形平面上电极(91)相对长边之间的间隙间距；各块矩形平面下电极(81)分别位于对应电极组中两块矩形平面上电极(91)之间间隙的正下方，矩形平面下电极(81)所在平面与对应电极组中两块矩形平面上电极(91)所在平面相平行，矩形平面下电极(81)所在平面与对应电极组中两块矩形平面上电极(91)所在平面之间保持预设间距间隙，且矩形平面下电极(81)长边与对应电极组中矩形平面上电极(91)长边相平行；各根刚性支撑柱(71)的其中一端与对应矩形平面下电极(81)下表面中心位置相固定连接，且各根刚性支撑柱(71)所在直线分别与对应矩形平面下电极(81)所在面相垂直，各根刚性支撑柱(71)的另一端垂直固定连接于底座(1)的上表面。
各电极组中的两块矩形平面上电极(91)分别与对应矩形平面下电极(81)，分别构成一个电容，记为Ca,Cb，即各矩形凹槽中包括电容Ca和电容Cb。
基于上述所设计超宽量程风速仪结构的技术方案，本发明具体设计了一套用于该超宽量程风速仪的制造方法，具体包括如下步骤：
步骤A.采用塑料开模方式，完成底座(1)和感风平台(2)的加工，其中感风平台(2)下表面各矩形凹槽内分别预先埋入对应电极组。
步骤B.采用薄型氧化铝陶瓷片构成隔热板(4)，在隔热板(4)背面溅射金属铂，并进行剥离光刻形成加热元件(5)和各个测温元件(61)，然后再溅射金薄膜，采用剥离工艺形成焊盘，用于连接、并针对加热元件(5)和各个测温元件(61)进行通电、控制。
步骤C.采用硅橡胶加工形成内部中空的弹性支撑柱(3)，选取金属铜加工形成各块矩形平面下电极(81)、以及各根刚性支撑柱(71)。
步骤D.将弹性支撑柱(3)和感风平台(2)底部用环氧胶固定，将四根刚性支撑柱(71)通过螺丝固定在底座(1)上。
步骤E.将隔热板(4)的焊盘采用导线焊接出来，连同各电极组中两块矩形平面上电极(91)的电极，引线穿过弹性支撑柱(3)的中空区域至到底座(1)内部的电路板上；弹性支撑柱(3)的下部和底座(1)采用环氧胶固定。
将上述所设计超宽量程风速仪应用于实际工作当中，如图2所示，无风环境下，加热元件(5)产生的热量传到上方的空气中，建立一个中心对称的热场，测温元件(61)的输出都一样，则X和Y方向的两对测温元件(61)的输出差为0，同时每组的电容Ca和电容Cb也相等。
同样如图2所示，中小风环境下，设风沿左往右吹，则热场向X方向倾斜，导致X方向的两个测温元件(61)的输出温度差不为0，Y方向仍保持温差为0。若风从西南方向吹来，则X和Y方向都产生正的温差，上述温差大小与风速大小和角度相关，因此通过矢量合成，可以得到风速和风向的信息。
以及如图2所示，大风环境下，热场难以建立，因此通过上述热温差的方式计算风速和风向的精度急剧下降。但是，风压与风速的平方成正比，因此此时感风平台在大风环境下有明显的横向移动，X和Y方向的四组电容对Ca，Cb的差(Ca-Cb)都发生了变化，从无风时候的0开始变正或负。若风沿X方向从左往右吹，则左边的电容差为负，右边的电容差为正；上下的两组电容差仍为0。这些电容差的大小和符号与风速和风向有关，同样经过矢量合成可以得到风速和风向的信息。
上述技术方案所设计的超宽量程风速仪具有如下优点：1)采用热温差测风，在低风速下具有极高的精度；2)采用电容测风原理，可在高风速下精确测量风速风向数据；3)在中等风速下，两组测量原理获得风速可进行相互验证和校准，进一步提高传感器的精度；4)两组原理所获测风数据可以用于传感器的自检，实现传感器的好坏的自动判断；5)感风平台(2)的倒扣杯形设计可以有效阻挡灰尘和雨水等影响电容敏感元件。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

  1. 一种超宽量程风速仪，其特征在于：包括底座(1)、感风平台(2)、弹性支撑柱(3)、隔热板(4)、加热元件(5)、四个测温元件(61)、四根刚性支撑柱(71)、四块矩形平面下电极(81)和四个电极组；
    其中，底座(1)的上、下表面彼此平行，弹性支撑柱(3)的其中一端与底座(1)上表面的中心位置相固定连接，且弹性支撑柱(3)所在直线与底座(1)上表面相垂直；感风平台(2)的上、下表面彼此平行，感风平台(2)上表面中心位置与下表面中心位置、在垂直于感风平台(2)上表面方向上的投影彼此相重合；弹性支撑柱(3)的另一端与感风平台(2)下表面的中心位置相固定连接，且弹性支撑柱(3)所在直线与感风平台(2)下表面相垂直；
    隔热板(4)内嵌设置于感风平台(2)的上表面，且隔热板(4)的上表面与感风平台(2)的上表面相平齐，以及隔热板(4)表面中心位置与感风平台(2)上表面中心位置彼此相重合；感风平台(2)上表面、位于隔热板(4)正下方的位置设置凹陷区，且感风平台(2)上表面的中心位置位于凹陷区内；加热元件(5)固定设置于隔热板(4)下表面的中心位置；四个测温元件(61)均位于凹陷区内，四个测温元件(61)围绕加热元件(5)、分别设置于隔热板(4)的下表面，且四个测温元件(61)围绕加热元件(5)呈正交对称分布；感风平台(2)下表面、围绕感风平台(2)下表面中心位置设置四个矩形凹槽，各矩形凹槽内底面所在平面均与感风平台(2)下表面所在平面相平行，矩形凹槽的内部结构为长方体，四个矩形凹槽敞开口中心位置围绕感风平台(2)下表面中心位置呈正交对称分布，隔热板(4)下表面中心位置到各矩形凹槽长边的距离所在直线、与隔热板(4)下表面中心位置到该矩形凹槽长边中点位置连线所在直线相重合；
    四个矩形凹槽与四个测温元件(61)彼此一一对应，以俯视感风平台(2)上表面方向的投影，感风平台(2)上表面中心位置分别到各测温元件(61)的连线所在直线、分别与感风平台(2)上表面中心位置到对应矩形凹槽中心位置连线所在直线相重合；
    各个矩形凹槽、各根刚性支撑柱(71)、各块矩形平面下电极(81)、各个电极组四者彼此一一对应；各个电极组分别均包括两块矩形平面上电极(91)，矩形平面上电极(91)长边的长度与矩形凹槽内底面长边的长度相适应，矩形凹槽内底面宽边的长度大于矩形平面上电极(91)宽边长度的两倍，各电极组中两块矩形平面上电极(91)固定设置于对应矩形凹槽的内底面上，各电极组中两块矩形平面上电极(91)彼此共面，各块矩形平面上电极(91)的长边均与对应矩形凹槽内底面长边相平行，各块矩形平面上电极(91)的宽边分别与对应矩形凹槽内底面上对应宽边相对接，各电极组中两块矩形平面上电极(91)彼 此相对长边之间保持间隙；矩形平面下电极(81)的长边长度短于矩形平面上电极(91)的长度，矩形平面下电极(81)的宽边长度大于各电极组中两块矩形平面上电极(91)相对长边之间的间隙间距；各块矩形平面下电极(81)分别位于对应电极组中两块矩形平面上电极(91)之间间隙的正下方，矩形平面下电极(81)所在平面与对应电极组中两块矩形平面上电极(91)所在平面相平行，矩形平面下电极(81)所在平面与对应电极组中两块矩形平面上电极(91)所在平面之间保持预设间距间隙，且矩形平面下电极(81)长边与对应电极组中矩形平面上电极(91)长边相平行；各根刚性支撑柱(71)的其中一端与对应矩形平面下电极(81)下表面中心位置相固定连接，且各根刚性支撑柱(71)所在直线分别与对应矩形平面下电极(81)所在面相垂直，各根刚性支撑柱(71)的另一端垂直固定连接于底座(1)的上表面。
  2. 根据权利要求1所述一种超宽量程风速仪，其特征在于：所述隔热板(4)为低热导率薄层绝缘材料制成。
  3. 根据权利要求2所述一种超宽量程风速仪，其特征在于：所述隔热板(4)为薄型氧化铝陶瓷片。
  4. 根据权利要求1所述一种超宽量程风速仪，其特征在于：还包括沿所述感风平台(2)下表面边缘一周设置的闭环围边(10)，且闭环围边(10)向着所述底座(1)方向凸起。
  5. 根据权利要求1所述一种超宽量程风速仪，其特征在于：所述感风平台(2)为圆柱体形状。
  6. 根据权利要求1所述一种超宽量程风速仪，其特征在于：所述弹性支撑柱(3)为中空圆柱形结构。
  7. 一种针对权利要求1至6中任意一项所述一种超宽量程风速仪的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
    步骤A.采用塑料开模方式，完成底座(1)和感风平台(2)的加工，其中感风平台(2)下表面各矩形凹槽内分别预先埋入对应电极组；
    步骤B.采用薄型氧化铝陶瓷片构成隔热板(4)，在隔热板(4)背面溅射金属铂，并进行剥离光刻形成加热元件(5)和各个测温元件(61)，然后再溅射金薄膜，采用剥离工艺形成焊盘，用于连接、并针对加热元件(5)和各个测温元件(61)进行通电、控制；
    步骤C.采用硅橡胶加工形成内部中空的弹性支撑柱(3)，选取金属铜加工形成各块矩形平面下电极(81)、以及各根刚性支撑柱(71)；
    步骤D.将弹性支撑柱(3)和感风平台(2)底部用环氧胶固定，将四根刚性支撑柱(71) 通过螺丝固定在底座(1)上；
    步骤E.将隔热板(4)的焊盘采用导线焊接出来，连同各电极组中两块矩形平面上电极(91)的电极，引线穿过弹性支撑柱(3)的中空区域至到底座(1)内部的电路板上；弹性支撑柱(3)的下部和底座(1)采用环氧胶固定。
PCT/CN2019/078737 2018-06-21 2019-03-19 一种超宽量程风速仪及制造方法 WO2019242346A1 (zh)

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