專利名稱：一種三維流速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體的流速測(cè)量，特別涉及流體的三維流速測(cè)量的傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
流速是流體的一個(gè)重要基本參數(shù)，流速測(cè)量一直備受關(guān)注，如海洋流場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)
測(cè)和測(cè)量是海洋科學(xué)考察的重要內(nèi)容，海洋水體的運(yùn)動(dòng)是和引起全球氣候反常的厄爾尼諾
等現(xiàn)象密切聯(lián)系的，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海流變化，可以對(duì)氣候進(jìn)行及時(shí)預(yù)測(cè)，提出防范規(guī)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(xiàn)，并
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(shí)甚至是水
平流的百分之一或千分之一。然而，雖然流速測(cè)量?jī)x器種類繁多，各具特色，應(yīng)用于不同的
流速測(cè)量中；但是目前的畢托管式差壓流速傳感器、機(jī)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(xué)流速傳感器以及PIV粒子成像測(cè)速儀等，或測(cè)量精度難
以提高，或存在轉(zhuǎn)動(dòng)部件，或難以滿足三維流速的測(cè)量，或成本較高價(jià)格昂貴，或?qū)ぷ鳝h(huán)
境有特殊要求；對(duì)于較小流速的測(cè)量，目前還缺少較好的辦法，現(xiàn)有的兩種主要方式是通
過(guò)投放電解質(zhì)后觀察水流中電解質(zhì)低阻帶來(lái)獲得流速的大小和方向的充電法、通過(guò)投放放
射性同位素后測(cè)量放射性探測(cè)器的計(jì)數(shù)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(wèn)題，對(duì)各維間流速分量大小存在較大差異的三維流速測(cè)
量更是難以勝任。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的局限，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的三維流速傳感器。 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明三維流速傳感器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有 —水平力測(cè)量單元，是以同軸且間隔的外環(huán)體(1)和內(nèi)環(huán)體(2)構(gòu)成水平力傳力機(jī)構(gòu)，所述外環(huán)體(1)與內(nèi)環(huán)體(2)之間是以成軸對(duì)稱設(shè)置的兩組彈性梁相連接，所述各彈性梁(3)的布置為相鄰兩只彈性梁(3)之間互相垂直，相對(duì)兩只彈性梁(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(cè)量單元，是以位于內(nèi)環(huán)體(2)的中心區(qū)域的中心平板(4)為垂直力傳力機(jī)構(gòu)，所述中心平板(4)與所述內(nèi)環(huán)體(2)為同軸、間隙設(shè)置；所述中心平板(4)的裝配形式為 在其兩側(cè)以軸對(duì)稱設(shè)置耳梁(5)，以所述耳梁(5)插入在所述內(nèi)環(huán)體(2)對(duì)應(yīng)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(cè)，沿徑向固定設(shè)置支撐桿(6)，所述支撐桿(6)依次穿過(guò)對(duì)應(yīng)位置上的內(nèi)環(huán)體1的側(cè)孔以及對(duì)應(yīng)位置上的外環(huán)體2的側(cè)孔伸出，以伸出的支撐桿(6)外接力測(cè)量傳感器；
3
—沿徑向設(shè)置的一端與內(nèi)環(huán)體(2)連接的固定支撐架(7)，所述固定支撐架(7)為實(shí)心體或空心結(jié)構(gòu)，所述空心結(jié)構(gòu)的固定支撐架(7)的內(nèi)孔與支撐桿(6)間隙配合，所述固定支撐架(7)穿過(guò)對(duì)應(yīng)位置上的外環(huán)體(1)的側(cè)孔伸出。 本發(fā)明三維流速傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述設(shè)置在外環(huán)體(1)與內(nèi)環(huán)體(2)之間的彈性梁(3)是以垂直于外環(huán)體(1)徑線方向上的各輔助梁(8)與外環(huán)體(1)相連接。
本發(fā)明三維流速傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于在所述外環(huán)體(1)與內(nèi)環(huán)體(2)之間，以同軸且間隔的形式設(shè)置中環(huán)體(9)，以兩組彈性梁中的一組連接在外環(huán)體(1)與中環(huán)體(9)之間，另一組連接在中環(huán)體(9)與內(nèi)環(huán)體(2)之間。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是 1、本發(fā)明外環(huán)體、內(nèi)環(huán)體和中心平板較好地構(gòu)筑在一起，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 2、本發(fā)明外環(huán)體接受垂直于其軸線的平面上的流體繞流阻力，中心平板接受外環(huán)
體軸線方向上的流體繞流阻力或升力，可實(shí)現(xiàn)三維流速的測(cè)量。 3、本發(fā)明水平力測(cè)量單元和垂直力測(cè)量單元相互分開(kāi)，若通過(guò)力放大機(jī)構(gòu)與位移或力測(cè)量系統(tǒng)相接，便可以滿足維間流速相差較大的流速測(cè)量，保證小流速的高精度的測(cè) 4、本發(fā)明各維方向上的流速測(cè)量，均無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)磨損，工作可靠，使用壽命較長(zhǎng)。 5、本發(fā)明外環(huán)體和內(nèi)環(huán)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，較好地獲得垂直于外環(huán)體軸線的平面方向上的流速的大小和方向；中心平板和環(huán)狀體間的位置關(guān)系，使得根據(jù)中心平板所受到的流體繞流阻力或升力，以及垂直于環(huán)
狀外殼軸線的平面方向上的流速，便可以求出沿環(huán)狀外殼軸線方向上的流速，從而獲得三維流速，流速測(cè)量的計(jì)算方法簡(jiǎn)單。 6、本發(fā)明可以通過(guò)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(huán)境中的使用要求。


圖1為本發(fā)明的外環(huán)體和內(nèi)環(huán)體之間的兩組彈性梁成軸對(duì)稱設(shè)置，相鄰垂直、相對(duì)共面，通過(guò)輔助梁與外環(huán)體連接，中心平板和內(nèi)環(huán)體之間直接通過(guò)耳梁連接的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1的過(guò)軸線且經(jīng)過(guò)耳梁的縱向剖視圖。 圖3為本發(fā)明的中心平板通過(guò)支撐桿外接垂直力測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖3支撐桿部分的剖視圖。 圖5為本發(fā)明的外環(huán)體和內(nèi)環(huán)體之間的兩組彈性梁成軸對(duì)稱設(shè)置，且相鄰垂直，相對(duì)共面，通過(guò)中間體連接的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為本發(fā)明的外環(huán)體和內(nèi)環(huán)體之間的兩組彈性梁成軸對(duì)稱設(shè)置，且相鄰垂直，相對(duì)平行，通過(guò)中間體連接的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中標(biāo)號(hào)1外環(huán)體、2內(nèi)環(huán)體、3彈性梁、4中心平板、5耳梁、6支撐桿、7固定支撐架、8輔助梁、9中環(huán)體。 以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施方法 如圖1、圖2、圖3、圖4、5和圖6，本實(shí)施例具有由外環(huán)體1、內(nèi)環(huán)體2和兩組彈性 梁構(gòu)成的水平力測(cè)量單元，外環(huán)體1和內(nèi)環(huán)體2同軸且間隔的構(gòu)成水平力傳力機(jī)構(gòu)，兩組彈 性梁3成軸對(duì)稱設(shè)置在外環(huán)體1與內(nèi)環(huán)體2之間，各彈性梁3的布置為相鄰兩只彈性梁3 之間互相垂直，相對(duì)兩只彈性梁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(shí)施例中還具有由中心平板4構(gòu)成的傳力機(jī)構(gòu)，中心平板4位于內(nèi)環(huán)體2的中 心區(qū)域，并與內(nèi)環(huán)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(cè)以 軸對(duì)稱設(shè)置耳梁(5)，以耳梁5插入在所述內(nèi)環(huán)體2對(duì)應(yīng)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(cè)，沿徑向固定設(shè)置支撐桿6，支撐桿6依次穿過(guò) 對(duì)應(yīng)位置上的內(nèi)環(huán)體的側(cè)孔以及對(duì)應(yīng)位置上的外環(huán)體的側(cè)孔伸出，以伸出的支撐桿6外接 力測(cè)量傳感器，獲得垂直力信息。 本實(shí)施例中，設(shè)置一沿徑向設(shè)置的一端與內(nèi)環(huán)體2連接的固定支撐架7，固定支撐 架7為實(shí)心體或空心結(jié)構(gòu)。 如圖4所示，當(dāng)中心平板與支撐桿6連接時(shí)，空心結(jié)構(gòu)的固定支撐架7的內(nèi)孔與支 撐桿6間隙配合，固定支撐架7穿過(guò)對(duì)應(yīng)位置上的外環(huán)體1的側(cè)孔伸出，以供安裝三維流速 傳感器。 如圖1和圖3所示，設(shè)置在外環(huán)體1與內(nèi)環(huán)體2之間的彈性梁3是以垂直于外環(huán) 體1徑線方向上的各輔助梁8與外環(huán)體1相連接。 如圖5和圖6所示，外環(huán)體1與內(nèi)環(huán)體2之間，以同軸且間隔的形式設(shè)置中環(huán)體9， 以兩組彈性梁中的一組連接在外環(huán)體1與中環(huán)體9之間，另一組連接在中環(huán)體9與內(nèi)環(huán)體 2之間。 將外環(huán)體1的軸線與重力方向保持一致，放置在待測(cè)的流體中，外環(huán)體1便受到流 體的水平方向流速產(chǎn)生的繞流阻力作用，則分布在外環(huán)體1和內(nèi)環(huán)體2之間的兩組彈性梁 3便會(huì)受到外環(huán)體1或中環(huán)體9傳遞來(lái)的水平方向上的繞流阻力，各彈性梁3在彎矩作用 下，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變和變形(拉壓應(yīng)變和變形可以忽略)，由于兩組彈性梁3互相垂直布 置，且通過(guò)抗彎能力較小的輔助梁8或通過(guò)中環(huán)體9相連，所以兩組彈性梁3在測(cè)量水平面 中的兩個(gè)互相垂直方向上的力時(shí)，可以保證耦合較小。利用兩組彈性梁3的彎曲應(yīng)變或位 移，再根據(jù)流體繞流阻力的理論、模擬數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定就能求得垂直于外環(huán)體1軸線 的平面方向上的兩個(gè)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(chǎn)生的繞流阻力作用下或在水平流速產(chǎn)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(guò)支撐桿6傳遞給外部的力測(cè)量傳感器，根據(jù)耳 梁5在彎矩作用下產(chǎn)生的應(yīng)變或位移，或力測(cè)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(jù)流體繞流阻力的理論、模擬數(shù)值計(jì)算 和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，并結(jié)合垂直于外環(huán)體1軸線的平面方向上的流速，便能夠求得沿外環(huán)體1軸線 方向的流速。中心平板4和外環(huán)體1、內(nèi)環(huán)體2不相連，相互之間沒(méi)有力的傳遞，沒(méi)有力的耦 合關(guān)系，中心平板4可以通過(guò)支撐桿6與外部力測(cè)量傳感器連接，便于更好地提高垂直方向 力的測(cè)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(cè)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 是基于MEMS技術(shù)制作的彈性體梁；彈性梁應(yīng)變量的獲得可以采用通常的應(yīng)變片，也可以采
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采用電容、 電感和光纖等位移傳感器。
權(quán)利要求
一種三維流速傳感器，其特征是具有一水平力測(cè)量單元，是以同軸且間隔的外環(huán)體(1)和內(nèi)環(huán)體(2)構(gòu)成水平力傳力機(jī)構(gòu)，所述外環(huán)體(1)與內(nèi)環(huán)體(2)之間是以成軸對(duì)稱設(shè)置的兩組彈性梁相連接，所述各彈性梁(3)的布置為相鄰兩只彈性梁(3)之間互相垂直，相對(duì)兩只彈性梁(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(cè)量單元，是以位于內(nèi)環(huán)體(2)的中心區(qū)域的中心平板(4)為垂直力傳力機(jī)構(gòu)，所述中心平板(4)與所述內(nèi)環(huán)體(2)為同軸、間隙設(shè)置；所述中心平板(4)的裝配形式為在其兩側(cè)以軸對(duì)稱設(shè)置耳梁(5)，以所述耳梁(5)插入在所述內(nèi)環(huán)體(2)對(duì)應(yīng)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(cè)，沿徑向固定設(shè)置支撐桿(6)，所述支撐桿(6)依次穿過(guò)對(duì)應(yīng)位置上的內(nèi)環(huán)體1的側(cè)孔以及對(duì)應(yīng)位置上的外環(huán)體2的側(cè)孔伸出，以伸出的支撐桿(6)外接力測(cè)量傳感器；一沿徑向設(shè)置的一端與內(nèi)環(huán)體(2)連接的固定支撐架(7)，所述固定支撐架(7)為實(shí)心體或空心結(jié)構(gòu)，所述空心結(jié)構(gòu)的固定支撐架(7)的內(nèi)孔與支撐桿(6)間隙配合，所述固定支撐架(7)穿過(guò)對(duì)應(yīng)位置上的外環(huán)體(1)的側(cè)孔伸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三維流速傳感器，其特征是所述設(shè)置在外環(huán)體(1)與內(nèi)環(huán)體(2)之間的彈性梁(3)是以垂直于外環(huán)體(1)徑線方向上的各輔助梁(8)與外環(huán)體(1)相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三維流速傳感器，其特征是在所述外環(huán)體(1)與內(nèi)環(huán)體(2)之間，以同軸且間隔的形式設(shè)置中環(huán)體(9)，以兩組彈性梁中的一組連接在外環(huán)體(1)與中環(huán)體(9)之間，另一組連接在中環(huán)體(9)與內(nèi)環(huán)體(2)之間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維流速傳感器，其特征是具有一水平力測(cè)量單元，是以同軸且間隔的外環(huán)體和內(nèi)環(huán)體構(gòu)成水平力傳力機(jī)構(gòu)，外環(huán)體與內(nèi)環(huán)體之間是以成軸對(duì)稱設(shè)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(cè)量單元，是以位于內(nèi)環(huán)體的中心區(qū)域的中心平板為垂直力傳力機(jī)構(gòu)，中心平板與內(nèi)環(huán)體為同軸、間隙設(shè)置；一沿徑向設(shè)置的固定支撐架。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，可實(shí)現(xiàn)三維流速的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01P5/02GK101776696SQ20101011145
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)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(yùn)建, 陸益民, 陳恩偉 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)