CN101509816B - 力传感器及其风速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种力传感器及其风速测量方法，本发明所述力传感器包括受风体、弹性梁、第一应变片组和第二应变片组，本发明所述测量方法采用应变片测量弹性梁的风载荷，测量得到风速、风向。本发明没有运动部件，具有响应快、结构简单可靠，环境适用性强。

Description

力传感器及其风速测量方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其测量方法，尤其涉及一种力传感器及其风速测量方法。

背景技术

在气象、环保、工农业生产、建筑、军事等诸多领域，空气流速都是一项重要的检测参数。特别是近年来发展较快的自动气象站对风速测量仪器提出了更高的要求，研制能适应恶劣气象条件，实现多点多相、瞬时精确的风速测量仪器更具有特别重要的意义。

目前，测量风速所使用的仪器设备品种繁多，通常基于以下几种原理：动压式、机械式、热式、超声波式、数字式等。皮托管风速仪是典型的动压式风速测量仪，这种设备结构简单，对环境的适应性较好，精确度和分辨率都比较高，但不适合用于低速风测量；机械式风速计结构简单，利用转叶探头可同时感知风速和风向，但制造、安装要求较高，且在长期使用过程中不可避免的存在磨损和老化问题，影响测量精度，也不适合在恶劣的气候条件下工作；热差式的风速计，利用风速影响加热敏感元件的冷却速度来测量风速，由于易集成，是目前风速测量领域热门研究的一种风速方法，目前该类仪器存在量程较小，还不能用于测量高速风，同时受湿度影响很大，也不能大面积实用化；近年来基于风速影响超声波的传播速度，提出了超声波风速测量仪，但声速受环境因素影响非常明显，大气湿度、温度以及其中所含的杂质浓度等因素都会对超声波传感器的测量精度有所影响。

目前的风速测量仪受结构、原理、量程等因素制约，存在通用性较差的问题，特别是不适合用于野外长期无人值守的自动气象站。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提出一种力传感器及其风速测量方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明力传感器，其特征在于包括受风体、弹性梁、第一应变片组和第二应变片组，其中弹性梁固定于受风体的内部，第一应变片组设置于弹性梁的上部前侧，第二应变片组设置于弹性梁的下部后侧，第一应变片组与第二应变片组结构相同，每个应变片组包括四个应变片，每个应变片构成惠斯通全桥电路的一个桥臂，所述惠斯通全桥电路的输入端接电源。

所述的力传感器的风速测量方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：采用力传感器检测实际风速得到电压变化信号ΔU_o；

第二步：采用第一步所述的电压变化信号ΔU_o计算得到二维力：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{ox}}{W}_{x}E/\left({\mathrm{KUL}}_A\right)\\ F_y=\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{oy}}{W}_{y}E/\left({\mathrm{KUL}}_B\right)\end{array}\right.,$

其中ΔU_ox、ΔU_oy分别为第一步所述的电压变化信号ΔU_o在x轴和y轴的分量，E为材料弹性模量，W_x和W_y分别为传感器截面在x轴和y轴的弯曲截面系数，U为惠斯通全桥电路的电源电压，L_A和L_B分别为第一应变片组和第二应变片组的力臂，K为应变灵敏系数，F_x和F_y分别为力传感器受到的风载荷F在x轴和y轴的分力即二维力；

第三步：采用第二步所述的二维力计算得到第一步所述实际风速v在x轴和y轴的分量： $\left\{\begin{array}{c}{v}_x=\sqrt{1630F_x/S}=\sqrt{1630\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{ox}}{W}_{x}E/\left({\mathrm{KUL}}_{A}S\right)}\\ v_y=\sqrt{1630F_y/S}=\sqrt{1630\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{oy}}{W}_{y}E/\left({\mathrm{KUL}}_{B}S\right)}\end{array}\right.,$ 其中S为力传感器的横截面积，v_x和v_y分别为实际风速v在x轴和y轴的分量；

第四步：采用第三步所述的实际风速在x轴和y轴的分量v_x和v_y得到实际风速v以及实际风速角α： $\left\{\begin{array}{c}v=\sqrt{{v_x}^2+{v_y}^2}\\ \tan \mathrm{\α}={\tan }^{-1}(v_y/v_x)\end{array}\right..$

本发明的有益效果：本发明基于风载荷原理，它由两个正交的弹性应变梁组成，采用应变片测量弹性梁的风载荷，达到风速、风向测量的目的。与普遍使用的机械式风速仪相比，它没有运动部件，具有响应快、结构简单可靠，环境适用性强的特点，是一种极有发展前景的风速测量仪。

本发明原理简单，结构新颖，该力传感器结构特殊，其自身具有有效敏感单向力的特性，加之输出桥路完全独立，使该2维传感器的维间耦合度尽可能的降低，基本解决了困扰多维力传感器精度提高的维间耦合问题。将该多维力传感器运用与风速测量领域是一种新的尝试，通过进一步的实验将测得的环境参数(如气压P，绝对湿度e，温度t等)用以对空气重度进行标定，便能有效的克服了传统风速测量方法受外界环境因素影响较大的问题，而且结构简单，能实现多相精确测量，作为该新型多维力传感器的工程应用具有很广阔的开发价值。

附图说明

图1(a)是本发明力传感器X方向截面图，

(b)是本发明力传感器Y方向截面图；

图2是本发明力传感器应变梁截面；

图3是本发明惠斯通全桥电路图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，1为一个圆形截面的受风体，由它将风压转换成二维力传感器的载荷。2为弹性梁，它实质上是两个正交的弹性应变梁的组合，弹性梁分别开上下两个槽A、B，用以增加传感器的灵敏度。弹性梁的两侧分别贴一组应变片3、4，构成惠斯通差动全桥测量电路，可以分别测量弹性梁的X、Y两个方向的应变，从而测量出弹性梁的风载荷F。其中，上方传感器A用于测量X方向作用力Fx，下方传感器B用于测量Y方向的作用力Fy。

如图2所示，传感器应变梁仅有一对侧面的表面贴有应变片，用于感知特定方向的梁体变形(如图中应变片A感知的是X方向的应变)，加之梁体中空，加大了被感知方向(如图中所示X方向)的梁体变形，大大降低了其他方向(如图中Y方向)的力对应变片的影响，几乎可以忽略不计。

测量步骤如下：

1、受风体受到风载荷F作用，分解后得到图1所示的X,Y方向上的分力Fx，Fy。根据传感器的位置确定对应的应变片A，B所受的力矩My，Mx

$A\→\left\{\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{Ay}}=F_x\·L_A\\ M_{\mathrm{Ax}}=F_y\·L_A\end{array}\right.$ $B\→\left\{\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{By}}=F_x\·L_B\\ M_{\mathrm{Bx}}=F_y\·L_B\end{array}\right.---\left(1\right)$

2、当传感器横截面上同时作用有两个方向上的弯矩作用时，由于材料服从胡克定律且变形很小，可利用叠加原理得到横截面上最危险处正应力为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{\mathrm{\σ}}}_A={\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{Ay}}/W_y+{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{Ax}}/W_x\\ {\stackrel{\→}{\mathrm{\σ}}}_B={\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{By}}/W_x+{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{Bx}}/W_y\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中Wx和Wy为传感器截面的弯曲截面系数。

忽略维间干扰，可以将(2)式改成

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_A=M_{\mathrm{Ay}}/W_y=F_x\·L_A/W_y={\mathrm{\σ}}_x\\ {\mathrm{\σ}}_B=M_{\mathrm{Bx}}/W_y=F_y\·L_B/W_y={\mathrm{\σ}}_y\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据图2，易得：

Wy＝2(b³h/4)/(12b/2)＝b²h/48                    (4)

3、由胡克定律可知应变与应力的关系为：ε＝σ/E，进一步得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\σ}}_x/E=F_x\·L_A/\left(W_{y}E\right)\\ {\mathrm{\ϵ}}_y={\mathrm{\σ}}_y/E=F_y\·L_B/\left(W_{y}E\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

E为与材料性质有关的弹性常数。

4、利用惠斯通全桥方式，即在电桥的四个桥臂位置都接入应变片电阻(如图3，R₁、R₂、R₃、R₄为桥臂电阻)测量应变片所受应力情况，接入电桥的相对臂应变计受拉(ΔR₁/R₁，ΔR₄/R₄)，相邻臂应变计受压(-ΔR₂/R₂，-ΔR₃/R₃)，在全等臂条件下(R₁＝R₂＝R₃＝R₄)得到：

$\mathrm{\Δ}{U}_o=\frac{0.25U(\mathrm{\Δ}{R}_1/R_1+\mathrm{\Δ}{R}_2/R_2+\mathrm{\Δ}{R}_3/R_3+\mathrm{\Δ}{R}_4/R_4)}{1+0.5(\mathrm{\Δ}{R}_1/R_1-\mathrm{\Δ}{R}_2/R_2+\mathrm{\Δ}{R}_3/R_3-\mathrm{\Δ}{R}_4/R_4)}=U\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1}{R_1}---\left(6\right)$

其中ΔR₁/R₁＝Kε₁，即

ε₁＝ΔUo/(KU)                      (7)

5、通过对电压变化的测量获得应变片的应变，将(6)代入(7)得：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{ox}}{W}_{x}E/\left({\mathrm{KUL}}_A\right)\\ F_y=\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{oy}}{W}_{y}E/\left({\mathrm{KUL}}_B\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

6、由于风作用于特定截面会产生压强(ω，牛每平方米)，称其为风压。风压与风速的关系

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\γ}}{2g}{v}^2---\left(9\right)$

其中，v为被测风速(m/s)，γ为空气重度(N/m³)，它与空气密度ρ成正比，γ＝ρg，g为重力加速度(9.8m/s²)。

空气重度γ是气压P(毫米水银柱高)，绝对湿度e(毫米水银柱高)，温度t(℃)的函数，其计算公式为：

γ＝1.293(P-0.378)/(760(1+0.00387t))                    (10)

在气压为101.325kPa、常温15℃和绝对干燥的情况下，γ＝0.012018kN/m³，在纬度45°处，海平面上的重力加速度为g＝9.8m/s²，代入(9)式得

ω＝γv²/(2g)＝0.012018v²/(2×9.8)≈v²/1630kN/m²        (11)

而气压P，绝对湿度e，温度t均与海拔有关，在实际的风速测量过程中，可以通过实验将环境参数代入(2)式，用以γ对空气重度进行修正。

又因为F＝ωS，S为截面面积，所以

$v_{x/y}=\sqrt{1630F/S}---\left(12\right)$

7、利用步骤E中所述的多维力传感器结构及惠斯通电桥部分就能测量出二维力(Fx，Fy)，将其带入(12)式就得到风速(v_x，v_y)：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_x=\sqrt{1630\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{ox}}{W}_{x}E/\left({\mathrm{KUL}}_{A}S\right)}\\ v_y=\sqrt{1630\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{oy}}{W}_{y}E/\left({\mathrm{KUL}}_{B}S\right)}\end{array}\right.---\left(13\right)$

8、最后根据平行四边形法则进行和成得到：

$v=\sqrt{{v_x}^2+{v_y}^2}$ (14)

tanα＝tan^-1(v_y/v_x)

由此得到所需要测得的风速大小和方向。

9、再对测力传感器的受力面积进行估算。本发明所述多维力传感器最大量程为200g，即0.2kg，为2N。取最大量程为2N对应风速成30m/s，所需面积为：S＝F/ω＝2/(900×1000/1630)＝0.0036m²＝36cm²，即面积为6×6厘米。当风速为1m/s时，产生的力为F＝ωS＝0.0036×1000/1630＝0.002N，即相当于0.0002kg＝0.2g，为1/100的精度。

Claims (2)

1.一种力传感器，其特征在于包括受风体(1)、弹性梁(2)、第一应变片组(3)和第二应变片组(4)，其中弹性梁(2)固定于受风体(1)的内部，第一应变片组(3)设置于弹性梁(2)的上部前侧，第二应变片组(4)设置于弹性梁(2)的下部后侧，第一应变片组(3)与第二应变片组(4)结构相同，每个应变片组包括四个应变片，每个应变片构成惠斯通全桥电路的一个桥臂，所述惠斯通全桥电路的输入端接电源。

2.一种基于权利要求1所述的力传感器的风速测量方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：采用力传感器检测实际风速得到电压变化信号ΔU_o；

第二步：采用第一步所述的电压变化信号ΔU_o计算得到二维力：

其中ΔU_ox、ΔU_oy分别为第一步所述的电压变化信号ΔU_o在x轴和y轴的分量，E为材料弹性模量，W_x和W_y分别为传感器截面在x轴和y轴的弯曲截面系数，U为惠斯通全桥电路的电源电压，L_A和L_B分别为第一应变片组(3)和第二应变片组(4)的力臂，K为应变灵敏系数，F_x和F_y分别为力传感器受到的风载荷F在x轴和y轴的分力即二维力；

第三步：采用第二步所述的二维力计算得到第一步所述实际风速v在x轴和y轴的分量：

其中S为力传感器的横截面积，v_x和v_y分别为实际风速v在x轴和y轴的分量；

第四步：采用第三步所述的实际风速在x轴和y轴的分量v_x和v_y得到实际风速v以及实际风速角α：

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