CN101788566B - 三维流速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三维流速传感器，其特征是设置壳体为轴对称旋转体、在壳体的内部设置有水平力测量单元、重力平衡单元、垂直力测量单元和延伸到壳体的外部的支撑杆。本发明无运动部件、工作可靠、使用寿命长、能胜任三维流速的测量。

Description

三维流速传感器

技术领域

本发明涉及流速传感装置，更具体地说是一种可用于流体的三维流速测量的流速传感装置。

背景技术

流速是流体的一个重要基本参数，流速测量备受关注，如海洋流场的实时监测和测量是海洋科学考察的重要内容，海洋水体的运动是和引起全球气候反常的厄尔尼诺等现象密切联系，实时监测海流变化，可以对气候进行及时预测，并提出防范规则。

在海洋、河流和大气层中，液体和气体的流速往往是以三维矢量的形式呈现，并且各维间流速分量的大小也往往存在较大差异。比如，海洋中上升流的流速大小有时甚至是水平流的百分之一或千分之一。然而，虽然流速测量仪器种类繁多、各具特色，应用于不同的流速测量中；但是目前的毕托管式差压流速传感器、机械式转子流速传感器、电磁式流速传感器、热式流速传感器、多普勒声学流速传感器以及PIV粒子成像测速仪等，或测量精度难以提高，或存在有转动部件，或难以满足三维流速的测量，或成本较高价格昂贵，或对工作环境有特殊要求，凡此种种，都使其应用受到极大的限制。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种无运动部件、工作可靠、使用寿命长、能胜任三维流速测量的三维流速传感器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明三维流速传感器的结构特点是设置壳体为轴对称旋转体、在壳体的内部设置有水平力测量单元、重力平衡单元、垂直力测量单元和延伸到壳体的外部的支撑杆；其中：

所述水平力测量单元为水平面内的“十”字梁构件，“十”字梁的中心端为中间支撑体、“十”字梁的外端呈“T”形设置有浮动梁，以所述各浮动梁与壳体相连接，以所述“十”字梁为水平力传感单元；

所述重力平衡单元具有平衡杆，“十”字梁的中间支撑体支撑在所述平衡杆的一端，在所述平衡杆的另一端固定设置重力平衡块，平衡杆以其平衡支点位置处的柔性挂件悬挂在壳体内的支撑杆的支撑块上；

所述垂直力测量单元是在所述平衡杆上沿竖直方向设置竖直撑杆，在所述竖直撑杆的顶端与支撑杆的支撑块之间设置垂直梁或水平梁，以所述垂直梁或水平梁为垂直力传感单元。

本发明三维流速传感器的结构特点也在于：

所述“十”字梁的中间支撑体与支撑杆的支撑块之间，呈水平设置有水平力传递梁。

所述壳体为球形、圆柱形或椭球形。

设置所述壳体为封闭的壳体，在水下工作时，封闭的壳体内充满液体，在所述壳体与支撑杆之间以软囊或波纹管连接。

与已有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中轴对称旋转的壳体受到流体的绕流阻力作用，由水平力传感单元可以获得垂直于其轴线的平面上的流体绕流阻力，由垂直力传感单元可以获得沿其轴线方向上的流体绕流阻力，能够实现三维流速的测量。

2、本发明的三维流速传感器是由轴对称旋转壳体包裹、结构简单，易于密封，在水下环境中工作时，易于实现压力平衡。

3、本发明中的重力平衡单元可以消除重力对垂直方向流体测量的影响，提高对垂直方向流速的测量精度。

4、本发明中的水平力测量单元和垂直力测量单元各自独立工作，可以满足维间流速相差较大的流速测量。

5、本发明在各维方向上的流速测量均无运动部件，无磨损、工作可靠、使用寿命较长。

6、本发明可以较好地选择现有的力或位移电信号转换元件或传感器，获得水平力测量单元和垂直力测量单元的应变或位移，从而满足不同精度要求，水下或空气中不同使用环境的工作需要。

附图说明

图1为本发明采用球形壳体外形图。

图2为本发明采用圆柱型壳体外形图。

图3为本发明立体结构示意图。

图4为本发明内部结构主视图。

图5为本发明内部结构俯视图。

图6为本发明重力平衡单元、垂直力测量单元、柔性挂件和水平力传递梁的组成图。

图中标号：1壳体、2支撑杆、21支撑块、3重力平衡单元、31重力平衡块、32平衡杆、4水平力测量单元、41为“十”字梁、42浮动梁、43中间支撑体、5垂直力测量单元、51水平梁、52竖直撑杆、6柔性挂件、7水平力传递梁。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方法

参见图3、图4和图5，本实施例中，在轴对称旋转壳体1的内部设置重力平衡单元3、水平力测量单元4、垂直力测量单元5、柔性挂件6和延伸到轴对称旋转壳体1外部的支撑杆2；轴对称旋转壳体1的轴线是与重力方向一致；水平力测量单元4为水平面内的“十”字梁构件，“十”字梁41的中心端与中间支撑体43连接、“十”字梁41的外端通过浮动梁42与壳体1相连接，以“十”字梁41为水平力传感单元；壳体1、水平力测量单元4与重力平衡单元3的重力都是由柔性挂件6承受；

参见图4和图6，柔性挂件6连接在支撑杆2的支撑块21上；垂直力测量单元5在平衡杆32沿竖直方向设置竖直撑杆52，并在竖直撑杆52的顶端与支撑杆2的支撑块21之间设置垂直梁或水平梁51，作为垂直力传感单元。

具体实施中，如图6所示，水平力传递梁7的一端是与“十”字梁41的中间支撑体43相连，另一端与支撑杆2的支撑块21连接。

具体实施中，壳体1的外形可以为如图1所示的球形，也可以是如图2所示的圆柱形或椭球形等旋转体。

具体实施中，壳体1为封闭的壳体，在水下工作时，在封闭的壳体1内充满液体，在壳体1与支撑杆2之间通过波纹管或软囊8连接，保证壳体1内外的压力平衡。

三维流速传感器放置在待测的流体中，壳体1受到流体的三维绕流阻力，三维绕流阻力由水平力测量单元4传递到中间支撑体43上，其中，水平方向的力由水平力传递梁7直接传递到支撑块21上，保证水平方向的力几乎没有传递到垂直力测量单元5上，从而减少水平力对垂直力测量单元5的影响；其中，垂直方向的力，由于水平力传递梁7对垂直力的抗弯能力较小，几乎全部传递到垂直力测量单元5，保证了垂直力测量单元5对垂直力的测量灵敏度。利用水平力测量单元4的“十”字梁41对水平方向上的力的敏感性，根据“十”字梁41的应变或位移，便可获得水平方向上的两个互相垂直方向上的力信号，从而求得水平方向上的流体绕流阻力的大小和方向，再根据流体的绕流阻力理论、模拟数值计算和实验标定求得水平方向上的两个互相垂直方向上的流速。壳体1所受到的三维绕流阻力的垂直方向上分力传递到中间支撑体43上，便在垂直力测量单元5的垂直梁或水平梁上产生弯矩，根据垂直力测量单元5的垂直梁或水平梁51的应变或位移，便可获得垂直方向上的绕流阻力，再根据流体绕流阻力的理论、模拟数值计算和实验标定，求得垂直方向上的流速。所以，“十”字梁41的结构形式可以使得水平力两个方向上的梁的维间耦合较小，水平力传递梁7的设置使得水平力对垂直力测量间的维间耦合较小；本发明能够测量三维流速，且流速测量的计算方法较为简单。

Claims (3)

1.三维流速传感器，其特征是设置壳体(1)为轴对称旋转体、在壳体(1)的内部设置有水平力测量单元(4)、重力平衡单元(3)、垂直力测量单元(5)和延伸到壳体(1)的外部的支撑杆(2)；其中：

所述水平力测量单元(4)为水平面内的“十”字梁构件，“十”字梁(41)的中心端为中间支撑体(43)、“十”字梁(41)的外端呈“T”形设置有浮动梁(42)，以所述各浮动梁(42)与壳体(1)相连接，以所述“十”字梁(41)为水平力传感单元；

所述重力平衡单元(3)具有平衡杆(32)，“十”字梁的中间支撑体(43)支撑在所述平衡杆(32)的一端，在所述平衡杆(32)的另一端固定设置重力平衡块(31)，平衡杆(32)以其平衡支点位置处的柔性挂件(6)悬挂在壳体(1)内的支撑杆(2)的支撑块(21)上；

所述垂直力测量单元(5)是在所述平衡杆(32)上沿竖直方向设置竖直撑杆(52)，在所述竖直撑杆(52)的顶端与支撑杆(2)的支撑块(21)之间设置垂直梁或水平梁(51)，以所述垂直梁或水平梁(51)为垂直力传感单元；

所述“十”字梁(41)的中间支撑体(43)与支撑杆(2)的支撑块(21)之间，呈水平设置有水平力传递梁(7)。

2.根据权利要求1所述的三维流速传感器，其特征是所述壳体(1)为球形、圆柱形或椭球形。

3.根据权利要求1所述的三维流速传感器，其特征是设置所述壳体为封闭的壳体，在水下工作时，封闭的壳体(1)内充满液体，在所述壳体(1)与支撑杆(2)之间以软囊或波纹管(8)连接。

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