三維流速傳感器的製作方法

2023-05-27 12:13:16

專利名稱：三維流速傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及流速傳感裝置，更具體地說是一種可用於流體的三維流速測量的流速
傳感裝置。
背景技術：
流速是流體的一個重要基本參數，流速測量備受關注，如海洋流場的實時監測和測量是海洋科學考察的重要內容，海洋水體的運動是和引起全球氣候反常的厄爾尼諾等現象密切聯繫，實時監測海流變化，可以對氣候進行及時預測，並提出防範規則。
在海洋、河流和大氣層中，液體和氣體的流速往往是以三維矢量的形式呈現，並且各維間流速分量的大小也往往存在較大差異。比如，海洋中上升流的流速大小有時甚至是水平流的百分之一或千分之一。然而，雖然流速測量儀器種類繁多、各具特色，應用於不同的流速測量中；但是目前的畢託管式差壓流速傳感器、機械式轉子流速傳感器、電磁式流速傳感器、熱式流速傳感器、都卜勒聲學流速傳感器以及piv粒子成像測速儀等，或測量精度難以提高，或存在有轉動部件，或難以滿足三維流速的測量，或成本較高價格昂貴，或對工作環境有特殊要求，凡此種種，都使其應用受到極大的限制。

發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種無運動部件、工作可靠、使用壽命長、能勝任三維流速測量的三維流速傳感器。
本發明為解決技術問題採用如下技術方案 本發明三維流速傳感器的結構特點是設置殼體為軸對稱旋轉體、在殼體的內部設置有水平力測量單元、重力平衡單元、垂直力測量單元和延伸到殼體的外部的支撐杆；其中 所述水平力測量單元為水平面內的"十"字梁構件，"十"字梁的中心端為中間支撐體、"十"字梁的外端呈"t"形設置有浮動梁，以所述各浮動梁與殼體相連接，以所述"十"字梁為水平力傳感單元； 所述重力平衡單元具有平衡杆，"十"字梁的中間支撐體支撐在所述平衡杆的一端，在所述平衡杆的另一端固定設置重力平衡塊，平衡杆以其平衡支點位置處的柔性掛件懸掛在殼體內的支撐杆的支撐塊上； 所述垂直力測量單元是在所述平衡杆上沿豎直方向設置豎直撐杆，在所述豎直撐杆的頂端與支撐杆的支撐塊之間設置垂直梁或水平梁，以所述垂直梁或水平梁為垂直力傳感單元。
本發明三維流速傳感器的結構特點也在於 所述"十"字梁的中間支撐體與支撐杆的支撐塊之間，呈水平設置有水平力傳遞梁。 所述殼體為球形、圓柱形或橢球形。
設置所述殼體為封閉的殼體，在水下工作時，封閉的殼體內充滿液體，在所述殼體
與支撐杆之間以軟囊或波紋管連接。 與已有技術相比，本發明的有益效果是 1、本發明中軸對稱旋轉的殼體受到流體的繞流阻力作用，由水平力傳感單元可以獲得垂直於其軸線的平面上的流體繞流阻力，由垂直力傳感單元可以獲得沿其軸線方向上的流體繞流阻力，能夠實現三維流速的測量。 2、本發明的三維流速傳感器是由軸對稱旋轉殼體包裹、結構簡單，易於密封，在水下環境中工作時，易於實現壓力平衡。 3、本發明中的重力平衡單元可以消除重力對垂直方向流體測量的影響，提高對垂直方向流速的測量精度。 4、本發明中的水平力測量單元和垂直力測量單元各自獨立工作，可以滿足維間流速相差較大的流速測量。 5、本發明在各維方向上的流速測量均無運動部件，無磨損、工作可靠、使用壽命較長。 6、本發明可以較好地選擇現有的力或位移電信號轉換元件或傳感器，獲得水平力測量單元和垂直力測量單元的應變或位移，從而滿足不同精度要求，水下或空氣中不同使用環境的工作需要。


圖1為本發明採用球形殼體外形圖。
圖2為本發明採用圓柱型殼體外形圖。
圖3為本發明立體結構示意圖。
圖4為本發明內部結構主視圖。
圖5為本發明內部結構俯視圖。 圖6為本發明重力平衡單元、垂直力測量單元、柔性掛件和水平力傳遞梁的組成圖。 圖中標號1殼體、2支撐杆、21支撐塊、3重力平衡單元、31重力平衡塊、32平衡杆、4水平力測量單元、41為"十"字梁、42浮動梁、43中間支撐體、5垂直力測量單元、51水平梁、52豎直撐杆、6柔性掛件、7水平力傳遞梁。 以下通過具體實施方式
，並結合附圖對本發明作進一步說明。
具體實施方法 參見圖3、圖4和圖5，本實施例中，在軸對稱旋轉殼體1的內部設置重力平衡單元3、水平力測量單元4、垂直力測量單元5、柔性掛件6和延伸到軸對稱旋轉殼體1外部的支撐杆2 ;軸對稱旋轉殼體1的軸線是與重力方向一致；水平力測量單元4為水平面內的"十"字梁構件，"十"字梁41的中心端與中間支撐體43連接、"十"字梁41的外端通過浮動梁42與殼體1相連接，以"十"字梁41為水平力傳感單元；殼體1、水平力測量單元4與重力平衡單元3的重力都是由柔性掛件6承受； 參見圖4和圖6，柔性掛件6連接在支撐杆2的支撐塊21上；垂直力測量單元5在平衡杆32沿豎直方向設置豎直撐杆52，並在豎直撐杆52的頂端與支撐杆2的支撐塊21之間設置垂直梁或水平梁51，作為垂直力傳感單元。 具體實施中，如圖6所示，水平力傳遞梁7的一端是與"十"字梁41的中間支撐體43相連，另一端與支撐杆2的支撐塊21連接。 具體實施中，殼體l的外形可以為如圖l所示的球形，也可以是如圖2所示的圓柱形或橢球形等旋轉體。 具體實施中，殼體1為封閉的殼體，在水下工作時，在封閉的殼體1內充滿液體，在殼體1與支撐杆2之間通過波紋管或軟囊8連接，保證殼體1內外的壓力平衡。
三維流速傳感器放置在待測的流體中，殼體1受到流體的三維繞流阻力，三維繞流阻力由水平力測量單元4傳遞到中間支撐體43上，其中，水平方向的力由水平力傳遞梁7直接傳遞到支撐塊21上，保證水平方向的力幾乎沒有傳遞到垂直力測量單元5上，從而減少水平力對垂直力測量單元5的影響；其中，垂直方向的力，由於水平力傳遞梁7對垂直力的抗彎能力較小，幾乎全部傳遞到垂直力測量單元5，保證了垂直力測量單元5對垂直力的測量靈敏度。利用水平力測量單元4的"十"字梁41對水平方向上的力的敏感性，根據"十"字梁41的應變或位移，便可獲得水平方向上的兩個互相垂直方向上的力信號，從而求得水平方向上的流體繞流阻力的大小和方向，再根據流體的繞流阻力理論、模擬數值計算和實驗標定求得水平方向上的兩個互相垂直方向上的流速。殼體1所受到的三維繞流阻力的垂直方向上分力傳遞到中間支撐體43上，便在垂直力測量單元5的垂直梁或水平梁上產生彎矩，根據垂直力測量單元5的垂直梁或水平梁51的應變或位移，便可獲得垂直方向上的繞流阻力，再根據流體繞流阻力的理論、模擬數值計算和實驗標定，求得垂直方向上的流速。所以，"十"字梁41的結構形式可以使得水平力兩個方向上的梁的維間耦合較小，水平力傳遞梁7的設置使得水平力對垂直力測量間的維間耦合較小；本發明能夠測量三維流速，且流速測量的計算方法較為簡單。
權利要求
三維流速傳感器，其特徵是設置殼體(1)為軸對稱旋轉體、在殼體(1)的內部設置有水平力測量單元(4)、重力平衡單元(3)、垂直力測量單元(5)和延伸到殼體(1)的外部的支撐杆(2)；其中所述水平力測量單元(4)為水平面內的「十」字梁構件，「十」字梁(41)的中心端為中間支撐體(43)、「十」字梁(41)的外端呈「T」形設置有浮動梁(42)，以所述各浮動梁(42)與殼體(1)相連接，以所述「十」字梁(41)為水平力傳感單元；所述重力平衡單元(3)具有平衡杆(32)，「十」字梁的中間支撐體(43)支撐在所述平衡杆(32)的一端，在所述平衡杆(32)的另一端固定設置重力平衡塊(31)，平衡杆(32)以其平衡支點位置處的柔性掛件(6)懸掛在殼體(1)內的支撐杆(2)的支撐塊(21)上；所述垂直力測量單元(5)是在所述平衡杆(32)上沿豎直方向設置豎直撐杆(52)，在所述豎直撐杆(52)的頂端與支撐杆(2)的支撐塊(21)之間設置垂直梁或水平梁(51)，以所述垂直梁或水平梁(51)為垂直力傳感單元。
2. 根據權利要求l所述的三維流速傳感器，其特徵是所述"十"字梁(41)的中間支撐體(43)與支撐杆(2)的支撐塊(21)之間，呈水平設置有水平力傳遞梁(7)。
3. 根據權利要求l所述的三維流速傳感器，其特徵是所述殼體(1)為球形、圓柱形或橢球形。
4. 根據權利要求1所述的三維流速傳感器，其特徵是設置所述殼體為封閉的殼體，在水下工作時，封閉的殼體(1)內充滿液體，在所述殼體(1)與支撐杆(2)之間以軟囊或波紋管(8)連接。
全文摘要
本發明公開了三維流速傳感器，其特徵是設置殼體為軸對稱旋轉體、在殼體的內部設置有水平力測量單元、重力平衡單元、垂直力測量單元和延伸到殼體的外部的支撐杆。本發明無運動部件、工作可靠、使用壽命長、能勝任三維流速的測量。
文檔編號G01P5/02GK101788566SQ20101011145
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月10日 優先權日2010年2月10日
發明者劉正士, 揭德算, 王勇, 王純賢, 葛運建, 陸益民, 陳恩偉 申請人:合肥工業大學