一種垂吊型三維風速風向傳感器結構的製作方法

2023-05-15 10:39:51

一種垂吊型三維風速風向傳感器結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種垂吊型三維風速風向傳感器結構，採用中心感風裝置，帶動底部彈性結構隨風速和風向產生相應應變，使得與該彈性結構相貼的應力傳感器發生形變而產生輸出。本發明提供的垂吊型三維風速風向傳感器結構原理簡單、可兼測三維風速風向、安裝方便、成本低，溫度漂移小，適合便攜和移動測量需要。
【專利說明】一種垂吊型三維風速風向傳感器結構【技術領域】
[0001]本發明涉及風速風向檢測裝置，尤其涉及一種垂吊型三維風速風向傳感器結構。【背景技術】
[0002]風速、風向是反應氣象情況非常重要的參數，對環境監測、空氣調節和工農業的生產有重要影響，因此快速準確測量出風速和風向具有重要的實際意義。傳統的風杯和風向標是目前仍廣泛使用的檢測器件，但這些機械裝置因具有移動部件而易磨損，同時具有體積大，價格昂貴，需要經常維護等缺點。典型超聲風速傳感器發射和探測接收頭位置固定，因此相對結構也較大。基於MEMS加工技術的微型熱流速傳感器具有體積小，價格低，產品一致性好的特點，是近幾年來熱風速傳感器研究的熱點。但是，由於矽襯底的高熱導率，這類傳感器的功耗較大，靈敏度較低。採用背面腐蝕或者正面腐蝕的方法形成絕熱薄膜，可以提高靈敏度，但是結構易損壞，不利於後道工藝和封裝。

【發明內容】

[0003]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種垂吊型三維風速風向傳感器結構，採用中心對風敏感的結構，產生變形帶動底部中心對稱放置的彈性敏感結構受力，以檢測風速風向，結構小巧簡單、靈敏度高、不易磨損且功耗低。
[0004]技術方案:為實現上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0005]一種垂吊型三維風速風向傳感器結構，包括底板、兩個固定基座結構、受風可產生位移的感風結構和彈性繩索；
[0006]所述固定基座結構包括固定基座，在固定基座的表面覆蓋有彈性薄膜片，在固定基座和彈性薄膜片的中心相應位置開設有圓孔，在彈性薄膜片可變形位置處的根部設置有一個應力傳感器，所述兩個固定基 座結構相同、但面面相對且豎直對準，兩個固定基座結構的彈性薄膜片位置相對；記位於平面下方的固定基座為下部固定基座，位於平面上方的固定基座為上部固定基座，位於平面下方的應力傳感器為下部應力傳感器，位於平面上方的應力傳感器為上部應力傳感器；
[0007]所述下部固定基座固定在底板上，在下部固定基座上設置有四個豎直的彈性可動片，所述彈性可動片的下端固定在下部固定基座上、上端自由；所述四個彈性可動片形成正方形結構布置，在所述正方形結構中放置有一個硬質球，所述硬質球內切於該正方形結構；在每一個彈性可動片的根部外側均設置有一個方位應力傳感器，按順時針方向，分別記四個方位應力傳感器為第一應力傳感器、第二應力傳感器、第三應力傳感器和四應力傳感器；
[0008]一根彈性繩索的一端與一個彈性伸縮固定端連接，另一端從下方向上依次穿過下部固定基座和彈性薄膜片上的圓孔後，與硬質球固定；另一根彈性繩索的一端與硬質球連接，另一端與感風結構的下端連接；再一根彈性繩索的一端與感風結構的上端連接，另一端從下方向上依次穿過彈性薄膜片和上部固定基座和上的圓孔後，與另一個彈性伸縮固定端連接；初始狀態時，所述硬質球與兩根彈性繩索的兩個連接點位於同一豎直直徑的兩端，所有彈性繩索處於拉緊不鬆弛狀態，感風結構位於兩個固定基座結構豎直方向的中心，所述彈性伸縮固定端的等效直徑大於圓孔，且位於下方的彈性伸縮固定端受到向下的壓力始終大於等於零，位於上方的彈性伸縮固定端受到向上的壓力始終大於等於自身重力。
[0009]優選的，所述感風結構為輕質空心球體或豎向橢球(即長軸豎直的橢球)，所述感風結構與兩根彈性繩索的兩個連接點位於同一豎直軸線的兩端。
[0010]優選的,所述底板為扁平的正方形或圓形結構,所述下部固定基座固定在底板的中部。
[0011]優選的，所述底板上固定有固定支撐架，所述上部固定基座固定在固定支撐架上。
[0012]優選的，所述四個方位應力傳感器、上部應力傳感器和下部應力傳感器均可採用金屬應變片或半導體壓阻實現，可靠且成本低；更為優選的，所述四個方位應力傳感器採用電阻型傳感器，驅動方便，且輸出電壓抗幹擾性好、功耗低。
[0013]感風結構在風場中會隨風力大小及方向擺動偏移中心位置，通過彈性繩索帶動底部硬質球擠壓彈性可動片，從而在1-2個彈性可動片根部產生應力，相應的方位應力傳感器為應變電阻結構，當工作時通入一定的電流，則根部的應力將使該方位應力傳感器產生與應力大小相關的電壓信號；通過測量四個方位應力傳感器上的電壓信號大小，通過合適的算法和標定就可以得到水平風速和風向的信息；同時通過上部應力傳感器和下部應力傳感器可以檢測彈性繩索拉力大小和變化情況，從而判斷出非水平風速信息。
[0014]有益效果:本發明提供的垂吊型三維風速風向傳感器結構，採用中心風敏感結構帶動水平和垂直方向的應力檢測裝置，可以感測不同方向的風力及風速，具有如下優勢:1、整體結構由基座、感風結構和應力傳感器組成，原理簡單、結構簡單、體積小便於攜帶且安裝方便；2、通過對風敏感的感風裝置帶動底部應變裝置可以輕易實現風向的判定，通過對材料和感風結構等合理設計可以改變測量範圍、提高測量精度；3、採用應力傳感器對稱檢測，環境溼度和溫度影響很小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的側視結構示意圖；
[0016]圖2為圖1中AA』的截面圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0018]如圖1、圖2所不為一種垂吊型三維風速風向傳感器結構,包括底板1、兩個固定基座結構、受風可產生位移的感風結構8和彈性繩索7 ；
[0019]所述固定基座結構包括固定基座，在固定基座的表面覆蓋有彈性薄膜片11，在固定基座和彈性薄膜片11的中心相應位置開設有圓孔，在彈性薄膜片11可變形位置處的根部設置有一個應力傳感器；
[0020]所述底板I的側邊與一個L型的固定支撐架9 一端固定,上部固定基座22與固定支撐架9的另一端固定,所述下部固定基座21固定在底板I中部；所述兩個固定基座結構相對於一平面鏡像固定且豎直對準，兩個固定基座結構的彈性薄膜片11位置相對；記位於平面下方的固定基座為下部固定基座21，位於平面上方的固定基座為上部固定基座22，位於平面下方的應力傳感器為下部應力傳感器41，位於平面上方的應力傳感器為上部應力傳感器42 ；[0021]在下部固定基座21上設置有四個豎直的彈性可動片5，所述彈性可動片5的下端固定在下部固定基座21上、上端自由；所述四個彈性可動片5形成正方形結構布置，在所述正方形結構中放置有一個硬質球6，所述硬質球6內切於該正方形結構；在每一個彈性可動片5的根部外側均設置有一個方位應力傳感器,按順時針方向，分別記四個方位應力傳感器為第一應力傳感器31、第二應力傳感器32、第三應力傳感器33和四應力傳感器34 ；
[0022]一根彈性繩索7的一端與一個彈性伸縮固定端10連接，另一端從下方向上依次穿過下部固定基座21和彈性薄膜片11上的圓孔後，與硬質球6固定；另一根彈性繩索7的一端與硬質球6連接,另一端與感風結構8的下端連接；再一根彈性繩索7的一端與感風結構8的上端連接，另一端從下方向上依次穿過彈性薄膜片11和上部固定基座22和上的圓孔後，與另一個彈性伸縮固定端10連接；初始狀態時，所述硬質球6與兩根彈性繩索7的兩個連接點位於同一豎直直徑的兩端，所有彈性繩索7處於拉緊不鬆弛狀態，感風結構8位於兩個固定基座結構豎直方向的中心，所述彈性伸縮固定端10的等效直徑大於圓孔，且位於下方的彈性伸縮固定端10受到向下的壓力始終大於等於零，位於上方的彈性伸縮固定端10受到向上的壓力始終大於等於自身重力。
[0023]所述感風結構8為輕質空心球體或豎向橢球，所述感風結構8與兩根彈性繩索7的兩個連接點位於同一豎直軸線的兩端；所述底板I為扁平的正方形或圓形結構。
[0024]當風沿某一水平方向吹過傳感器，例如從8點鐘方向吹向2點鐘方向(為方便敘述，這裡平面角度用平放的時鐘盤表示，12點對應附圖2中第二應力傳感器32的位置，6點對應附圖2中四應力傳感器34的位置)，則中心感風結構8向2點方向移動，帶動與其連接的硬質球6 —起向2點方向產生位移。硬質球6推動原來與其相貼的彈性可動片5,且由於風向，僅推動與第二應力傳感器32、第三應力傳感器33相連的彈性可動片5。由於角度關係，第三應力傳感器33上的感應到的力比第二應力傳感器32上的更大些；而第一應力傳感器31、四應力傳感器34將與硬質球6脫離，不產生形變。方位應力傳感器由於受力將引起電阻的變化，通過恆定電流驅動或將其與固定電阻串聯再用恆定電壓驅動，我們可以得到電壓輸出。與此同時，上部應力傳感器42和下部應力傳感器41的輸出應該相等,表明此時水平風。這些傳感器的輸出電壓與風速W和風向D的關係可以用如下公式計算:
【權利要求】
1.一種垂吊型三維風速風向傳感器結構，其特徵在於:包括底板(I)、兩個固定基座結構、受風可產生位移的感風結構(8)和彈性繩索(7)； 所述固定基座結構包括固定基座，在固定基座的表面覆蓋有彈性薄膜片(11)，在固定基座和彈性薄膜片(11)的中心相應位置開設有圓孔，在彈性薄膜片(11)可變形位置處的根部設置有一個應力傳感器，所述兩個固定基座結構相同、但面與面相對且豎直對準，兩個固定基座結構的彈性薄膜片(11)位置相對；記位於平面下方的固定基座為下部固定基座(21)，位於平面上方的固定基座為上部固定基座(22)，位於平面下方的應力傳感器為下部應力傳感器(41)，位於平面上方的應力傳感器為上部應力傳感器(42)； 所述下部固定基座(21)固定在底板(I)上，在下部固定基座(21)上設置有四個豎直的彈性可動片(5)，所述彈性可動片(5)的下端固定在下部固定基座(21)上、上端自由；所述四個彈性可動片(5)形成正方形結構布置，在所述正方形結構中放置有一個硬質球(6)，所述硬質球(6)內切於該正方形結構；在每一個彈性可動片(5)的根部外側均設置有一個方位應力傳感器，按順時針方向，分別記四個方位應力傳感器為第一應力傳感器(31)、第二應力傳感器(32)、第三應力傳感器(33)和四應力傳感器(34)； 一根彈性繩索(7)的一端與一個彈性伸縮固定端(10)連接，另一端從下方向上依次穿過下部固定基座(21)和彈性薄膜片(11)上的圓孔後，與硬質球(6)固定；另一根彈性繩索(7)的一端與硬質球(6)連接，另一端與感風結構(8)的下端連接；再一根彈性繩索(7)的一端與感風結構(8)的上端連接，另一端從下方向上依次穿過彈性薄膜片(11)和上部固定基座(22 )和上的圓孔後，與另一個彈性伸縮固定端(10 )連接；初始狀態時，所述硬質球(6 )與兩根彈性繩索(7)的兩個連接點位於同一豎直直徑的兩端，所有彈性繩索(7)處於拉緊不鬆弛狀態，感風結構(8)位於兩個固定基座結構豎直方向的中心,所述彈性伸縮固定端(10)的等效直徑大於圓孔，且位於下方的彈性伸縮固定端(10)受到向下的壓力始終大於等於零，位於上方的彈性伸縮固定端(10)受到向上的壓力始終大於等於自身重力。
2.根據權利要求1所述的垂吊型三維風速風向傳感器結構，其特徵在於:所述感風結構(8)為輕質空心球體或豎向橢球，所述感風結構(8)與兩根彈性繩索(7)的兩個連接點位於同一豎直軸線的兩端。
3.根據權利要求1所述的垂吊型三維風速風向傳感器結構，其特徵在於:所述底板(I)為扁平的正方形或圓形結構，所述下部固定基座(21)固定在底板(I)的中部。
4.根據權利要求1所述的垂吊型三維風速風向傳感器結構，其特徵在於:所述底板(I)上固定有固定支撐架(9)，所述上部固定基座(22)固定在固定支撐架(9)上。
【文檔編號】G01P5/00GK103529239SQ201310531020
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】秦明, 陳實, 胡世鑌 申請人:東南大學