一種三維流速傳感器的製作方法

2023-05-27 12:16:31 1

專利名稱：一種三維流速傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及流體的流速測量，特別涉及流體的三維流速測量的傳感技術。
背景技術：
流速是流體的一個重要基本參數，流速測量一直備受關注，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
等現象密切聯繫的，實時監測海流變化，可以對氣候進行及時預測，提出防範規則。 在海洋、河流和大氣層中，液體和氣體流體的流速往往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，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；對於較小流速的測量，目前還缺少較好的辦法，現有的兩種主要方式是通
過投放電解質後觀察水流中電解質低阻帶來獲得流速的大小和方向的充電法、通過投放放
射性同位素後測量放射性探測器的計數獲得流速的大小和方向的同位素示蹤法，這兩種方
法均存在操作不變，精度不高的問題，對各維間流速分量大小存在較大差異的三維流速測
量更是難以勝任。

發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術的局限，提供一種結構簡單、工作可靠的三維流速傳感器。 本發明解決技術問題採用如下技術方案
本發明三維流速傳感器，其結構特點是具有 —水平力測量單元，是以同軸且間隔的外環體(1)和內環體(2)構成水平力傳力機構，所述外環體(1)與內環體(2)之間是以成軸對稱設置的兩組彈性梁相連接，所述各彈性梁(3)的布置為相鄰兩隻彈性梁(3)之間互相垂直，相對兩隻彈性梁(3)之間為共面或互相平行，以所述各彈性梁(3)為水平力傳感單元； —垂直力測量單元，是以位於內環體(2)的中心區域的中心平板(4)為垂直力傳力機構，所述中心平板(4)與所述內環體(2)為同軸、間隙設置；所述中心平板(4)的裝配形式為 在其兩側以軸對稱設置耳梁(5)，以所述耳梁(5)插入在所述內環體(2)對應位置上的耳孔中相互配合，以所述耳梁(5)為垂直力傳感單元； 或在其一側，沿徑向固定設置支撐杆(6)，所述支撐杆(6)依次穿過對應位置上的內環體1的側孔以及對應位置上的外環體2的側孔伸出，以伸出的支撐杆(6)外接力測量傳感器；
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—沿徑向設置的一端與內環體(2)連接的固定支撐架(7)，所述固定支撐架(7)為實心體或空心結構，所述空心結構的固定支撐架(7)的內孔與支撐杆(6)間隙配合，所述固定支撐架(7)穿過對應位置上的外環體(1)的側孔伸出。 本發明三維流速傳感器的結構特點也在於所述設置在外環體(1)與內環體(2)之間的彈性梁(3)是以垂直於外環體(1)徑線方向上的各輔助梁(8)與外環體(1)相連接。
本發明三維流速傳感器的結構特點也在於在所述外環體(1)與內環體(2)之間，以同軸且間隔的形式設置中環體(9)，以兩組彈性梁中的一組連接在外環體(1)與中環體(9)之間，另一組連接在中環體(9)與內環體(2)之間。
與已有技術相比，本發明的有益效果是 1、本發明外環體、內環體和中心平板較好地構築在一起，結構簡單。 2、本發明外環體接受垂直於其軸線的平面上的流體繞流阻力，中心平板接受外環
體軸線方向上的流體繞流阻力或升力，可實現三維流速的測量。 3、本發明水平力測量單元和垂直力測量單元相互分開，若通過力放大機構與位移或力測量系統相接，便可以滿足維間流速相差較大的流速測量，保證小流速的高精度的測 4、本發明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。 5、本發明外環體和內環體之間的各組彈性梁的布置方式，可以使得各彈性梁的維
間耦合較小，較好地獲得垂直於外環體軸線的平面方向上的流速的大小和方向；中心平板和環狀體間的位置關係，使得根據中心平板所受到的流體繞流阻力或升力，以及垂直於環
狀外殼軸線的平面方向上的流速，便可以求出沿環狀外殼軸線方向上的流速，從而獲得三維流速，流速測量的計算方法簡單。 6、本發明可以通過較好地選擇目前已有的力或位移敏感元件或傳感器，從而降低成本，提高精度，滿足水下或空氣環境中的使用要求。


圖1為本發明的外環體和內環體之間的兩組彈性梁成軸對稱設置，相鄰垂直、相對共面，通過輔助梁與外環體連接，中心平板和內環體之間直接通過耳梁連接的結構示意圖。 圖2為圖1的過軸線且經過耳梁的縱向剖視圖。 圖3為本發明的中心平板通過支撐杆外接垂直力測量傳感器的結構示意圖。
圖4為圖3支撐杆部分的剖視圖。 圖5為本發明的外環體和內環體之間的兩組彈性梁成軸對稱設置，且相鄰垂直，相對共面，通過中間體連接的結構示意圖。 圖6為本發明的外環體和內環體之間的兩組彈性梁成軸對稱設置，且相鄰垂直，相對平行，通過中間體連接的結構示意圖。 圖中標號1外環體、2內環體、3彈性梁、4中心平板、5耳梁、6支撐杆、7固定支撐架、8輔助梁、9中環體。 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 如圖1、圖2、圖3、圖4、5和圖6，本實施例具有由外環體1、內環體2和兩組彈性 梁構成的水平力測量單元，外環體1和內環體2同軸且間隔的構成水平力傳力機構，兩組彈 性梁3成軸對稱設置在外環體1與內環體2之間，各彈性梁3的布置為相鄰兩隻彈性梁3 之間互相垂直，相對兩隻彈性梁3之間為共面或互相平行，各彈性梁3為水平力傳感單元。
本實施例中還具有由中心平板4構成的傳力機構，中心平板4位於內環體2的中 心區域，並與內環體2同軸；中心平板4的裝配有兩種形式，一種是在中心平板4的兩側以 軸對稱設置耳梁(5)，以耳梁5插入在所述內環體2對應位置上的耳孔中，以耳梁5為垂直 力傳感單元；另一種是在中心平板4的一側，沿徑向固定設置支撐杆6，支撐杆6依次穿過 對應位置上的內環體的側孔以及對應位置上的外環體的側孔伸出，以伸出的支撐杆6外接 力測量傳感器，獲得垂直力信息。 本實施例中，設置一沿徑向設置的一端與內環體2連接的固定支撐架7，固定支撐 架7為實心體或空心結構。 如圖4所示，當中心平板與支撐杆6連接時，空心結構的固定支撐架7的內孔與支 撐杆6間隙配合，固定支撐架7穿過對應位置上的外環體1的側孔伸出，以供安裝三維流速 傳感器。 如圖1和圖3所示，設置在外環體1與內環體2之間的彈性梁3是以垂直於外環 體1徑線方向上的各輔助梁8與外環體1相連接。 如圖5和圖6所示，外環體1與內環體2之間，以同軸且間隔的形式設置中環體9， 以兩組彈性梁中的一組連接在外環體1與中環體9之間，另一組連接在中環體9與內環體 2之間。 將外環體1的軸線與重力方向保持一致，放置在待測的流體中，外環體1便受到流 體的水平方向流速產生的繞流阻力作用，則分布在外環體1和內環體2之間的兩組彈性梁 3便會受到外環體1或中環體9傳遞來的水平方向上的繞流阻力，各彈性梁3在彎矩作用 下，會產生相應的應變和變形(拉壓應變和變形可以忽略)，由於兩組彈性梁3互相垂直布 置，且通過抗彎能力較小的輔助梁8或通過中環體9相連，所以兩組彈性梁3在測量水平面 中的兩個互相垂直方向上的力時，可以保證耦合較小。利用兩組彈性梁3的彎曲應變或位 移，再根據流體繞流阻力的理論、模擬數值計算和實驗標定就能求得垂直於外環體1軸線 的平面方向上的兩個互相垂直方向上的流速；同樣中心平板4也受到流體的作用，在流體 垂直流速產生的繞流阻力作用下或在水平流速產生的上升力作用下，中心平板4受到垂直 方向的力作用，直接傳遞到耳梁5上，或通過支撐杆6傳遞給外部的力測量傳感器，根據耳 梁5在彎矩作用下產生的應變或位移，或力測量傳感器上的力信息，便可以獲得中心平板4 所受到的沿其軸線方向上的繞流阻力或升力，再根據流體繞流阻力的理論、模擬數值計算 和實驗標定，並結合垂直於外環體1軸線的平面方向上的流速，便能夠求得沿外環體1軸線 方向的流速。中心平板4和外環體1、內環體2不相連，相互之間沒有力的傳遞，沒有力的耦 合關係，中心平板4可以通過支撐杆6與外部力測量傳感器連接，便於更好地提高垂直方向 力的測量精度，從而更好的滿足垂直流速和水平流速相差較大的三維流速測量要求。
兩組彈性梁3和與中心平板4直接連接的耳梁5，可以是通常的彈性體梁，也可以 是基於MEMS技術製作的彈性體梁；彈性梁應變量的獲得可以採用通常的應變片，也可以採
5用其它力敏電阻、力敏電容、壓電材料和力敏光纖等。彈性梁位移量的獲得可以採用電容、 電感和光纖等位移傳感器。
權利要求
一種三維流速傳感器，其特徵是具有一水平力測量單元，是以同軸且間隔的外環體(1)和內環體(2)構成水平力傳力機構，所述外環體(1)與內環體(2)之間是以成軸對稱設置的兩組彈性梁相連接，所述各彈性梁(3)的布置為相鄰兩隻彈性梁(3)之間互相垂直，相對兩隻彈性梁(3)之間為共面或互相平行，以所述各彈性梁(3)為水平力傳感單元；一垂直力測量單元，是以位於內環體(2)的中心區域的中心平板(4)為垂直力傳力機構，所述中心平板(4)與所述內環體(2)為同軸、間隙設置；所述中心平板(4)的裝配形式為在其兩側以軸對稱設置耳梁(5)，以所述耳梁(5)插入在所述內環體(2)對應位置上的耳孔中相互配合，以所述耳梁(5)為垂直力傳感單元；或在其一側，沿徑向固定設置支撐杆(6)，所述支撐杆(6)依次穿過對應位置上的內環體1的側孔以及對應位置上的外環體2的側孔伸出，以伸出的支撐杆(6)外接力測量傳感器；一沿徑向設置的一端與內環體(2)連接的固定支撐架(7)，所述固定支撐架(7)為實心體或空心結構，所述空心結構的固定支撐架(7)的內孔與支撐杆(6)間隙配合，所述固定支撐架(7)穿過對應位置上的外環體(1)的側孔伸出。
2. 根據權利要求l所述的三維流速傳感器，其特徵是所述設置在外環體(1)與內環體(2)之間的彈性梁(3)是以垂直於外環體(1)徑線方向上的各輔助梁(8)與外環體(1)相連接。
3. 根據權利要求l所述的三維流速傳感器，其特徵是在所述外環體(1)與內環體(2)之間，以同軸且間隔的形式設置中環體(9)，以兩組彈性梁中的一組連接在外環體(1)與中環體(9)之間，另一組連接在中環體(9)與內環體(2)之間。
全文摘要
本發明公開了一種三維流速傳感器，其特徵是具有一水平力測量單元，是以同軸且間隔的外環體和內環體構成水平力傳力機構，外環體與內環體之間是以成軸對稱設置的兩組彈性梁相連接，以各彈性梁為水平力傳感單元；一垂直力測量單元，是以位於內環體的中心區域的中心平板為垂直力傳力機構，中心平板與內環體為同軸、間隙設置；一沿徑向設置的固定支撐架。本發明結構簡單、工作可靠，可實現三維流速的測量。
文檔編號G01P5/02GK101776696SQ20101011145
公開日2010年7月14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