專利名稱：三維流速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流速傳感裝置，更具體地說是一種可用于流體的三維流速測量的流速
傳感裝置。
背景技術(shù)：
流速是流體的一個重要基本參數(shù)，流速測量備受關(guān)注，如海洋流場的實時監(jiān)測和測量是海洋科學考察的重要內(nèi)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(xiàn)象密切聯(lián)系，實時監(jiān)測海流變化，可以對氣候進行及時預測，并提出防范規(guī)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(xiàn)，并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，應用于不同的流速測量中；但是目前的畢托管式差壓流速傳感器、機械式轉(zhuǎn)子流速傳感器、電磁式流速傳感器、熱式流速傳感器、多普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(zhuǎn)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?qū)ぷ鳝h(huán)境有特殊要求，凡此種種，都使其應用受到極大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明三維流速傳感器的結(jié)構(gòu)特點是設(shè)置殼體為軸對稱旋轉(zhuǎn)體、在殼體的內(nèi)部設(shè)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桿；其中 所述水平力測量單元為水平面內(nèi)的"十"字梁構(gòu)件，"十"字梁的中心端為中間支撐體、"十"字梁的外端呈"t"形設(shè)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桿，"十"字梁的中間支撐體支撐在所述平衡桿的一端，在所述平衡桿的另一端固定設(shè)置重力平衡塊，平衡桿以其平衡支點位置處的柔性掛件懸掛在殼體內(nèi)的支撐桿的支撐塊上； 所述垂直力測量單元是在所述平衡桿上沿豎直方向設(shè)置豎直撐桿，在所述豎直撐桿的頂端與支撐桿的支撐塊之間設(shè)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(fā)明三維流速傳感器的結(jié)構(gòu)特點也在于 所述"十"字梁的中間支撐體與支撐桿的支撐塊之間，呈水平設(shè)置有水平力傳遞梁。 所述殼體為球形、圓柱形或橢球形。
設(shè)置所述殼體為封閉的殼體，在水下工作時，封閉的殼體內(nèi)充滿液體，在所述殼體
與支撐桿之間以軟囊或波紋管連接。 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是 1、本發(fā)明中軸對稱旋轉(zhuǎn)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于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?qū)崿F(xiàn)三維流速的測量。 2、本發(fā)明的三維流速傳感器是由軸對稱旋轉(zhuǎn)殼體包裹、結(jié)構(gòu)簡單，易于密封，在水下環(huán)境中工作時，易于實現(xiàn)壓力平衡。 3、本發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明可以較好地選擇現(xiàn)有的力或位移電信號轉(zhuǎn)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(huán)境的工作需要。


圖1為本發(fā)明采用球形殼體外形圖。
圖2為本發(fā)明采用圓柱型殼體外形圖。
圖3為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)主視圖。
圖5為本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖。 圖6為本發(fā)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支撐桿、21支撐塊、3重力平衡單元、31重力平衡塊、32平衡桿、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豎直撐桿、6柔性掛件、7水平力傳遞梁。 以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)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(zhuǎn)殼體1的內(nèi)部設(shè)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(zhuǎn)殼體1外部的支撐桿2 ;軸對稱旋轉(zhuǎn)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(nèi)的"十"字梁構(gòu)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連接在支撐桿2的支撐塊21上；垂直力測量單元5在平衡桿32沿豎直方向設(shè)置豎直撐桿52，并在豎直撐桿52的頂端與支撐桿2的支撐塊21之間設(shè)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，另一端與支撐桿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(zhuǎn)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(nèi)充滿液體，在殼體1與支撐桿2之間通過波紋管或軟囊8連接，保證殼體1內(nèi)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，由于水平力傳遞梁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(jù)"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(jù)流體的繞流阻力理論、模擬數(shù)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(chǎn)生彎矩，根據(jù)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(jù)流體繞流阻力的理論、模擬數(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)置使得水平力對垂直力測量間的維間耦合較??；本發(fā)明能夠測量三維流速，且流速測量的計算方法較為簡單。
權(quán)利要求
三維流速傳感器，其特征是設(shè)置殼體(1)為軸對稱旋轉(zhuǎn)體、在殼體(1)的內(nèi)部設(shè)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)的外部的支撐桿(2)；其中所述水平力測量單元(4)為水平面內(nèi)的“十”字梁構(gòu)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(shè)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)具有平衡桿(32)，“十”字梁的中間支撐體(43)支撐在所述平衡桿(32)的一端，在所述平衡桿(32)的另一端固定設(shè)置重力平衡塊(31)，平衡桿(32)以其平衡支點位置處的柔性掛件(6)懸掛在殼體(1)內(nèi)的支撐桿(2)的支撐塊(21)上；所述垂直力測量單元(5)是在所述平衡桿(32)上沿豎直方向設(shè)置豎直撐桿(52)，在所述豎直撐桿(52)的頂端與支撐桿(2)的支撐塊(21)之間設(shè)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(jù)權(quán)利要求l所述的三維流速傳感器，其特征是所述"十"字梁(41)的中間支撐體(43)與支撐桿(2)的支撐塊(21)之間，呈水平設(shè)置有水平力傳遞梁(7)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三維流速傳感器，其特征是所述殼體(1)為球形、圓柱形或橢球形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維流速傳感器，其特征是設(shè)置所述殼體為封閉的殼體，在水下工作時，封閉的殼體(1)內(nèi)充滿液體，在所述殼體(1)與支撐桿(2)之間以軟囊或波紋管(8)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了三維流速傳感器，其特征是設(shè)置殼體為軸對稱旋轉(zhuǎn)體、在殼體的內(nèi)部設(shè)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桿。本發(fā)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(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)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(yè)大學