專利名稱：力傳感器及其風速測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器及其測量方法，尤其涉及一種力傳感器及其風速 測量方法。
背景技術(shù)：
在氣象、環(huán)保、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑、軍事等諸多領(lǐng)域，空氣流速都是一 項重要的檢測參數(shù)。特別是近年來發(fā)展較快的自動氣象站對風速測量儀器提 出了更高的要求，研制能適應(yīng)惡劣氣象條件，實現(xiàn)多點多相、瞬時精確的風 速測量儀器更具有特別重要的意義。
目前，測量風速所使用的儀器設(shè)備品種繁多，通?；谝韵聨追N原理 動壓式、機械式、熱式、超聲波式、數(shù)字式等。皮托管風速儀是典型的動壓 式風速測量儀，這種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，對環(huán)境的適應(yīng)性較好，精確度和分辨率 都比較高，但不適合用于低速風測量；機械式風速計結(jié)構(gòu)簡單，利用轉(zhuǎn)葉探 頭可同時感知風速和風向，但制造、安裝要求較高，且在長期使用過程中不 可避免的存在磨損和老化問題，影響測量精度，也不適合在惡劣的氣候條件 下工作；熱差式的風速計，利用風速影響加熱敏感元件的冷卻速度來測量風 速，由于易集成，是目前風速測量領(lǐng)域熱門研究的一種風速方法，目前該類 儀器存在量程較小，還不能用于測量高速風，同時受濕度影響很大，也不能 大面積實用化；近年來基于風速影響超聲波的傳播速度，提出了超聲波風速
4測量儀，但聲速受環(huán)境因素影響非常明顯，大氣濕度、溫度以及其中所含的
雜質(zhì)濃度等因素都會對超聲波傳感器的測量精度有所影響。
目前的風速測量儀受結(jié)構(gòu)、原理、量程等因素制約，存在通用性較差的 問題，特別是不適合用于野外長期無人值守的自動氣象站。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出一種力傳感器及其風速測 量方法。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明力傳感器，其特征在于包括受風體、彈性梁、第一應(yīng)變片組和第 二應(yīng)變片組，其中彈性梁固定于受風體的內(nèi)部，第一應(yīng)變片組設(shè)置于彈性梁 的上部前側(cè)，第二應(yīng)變片組設(shè)置于彈性梁的下部后側(cè)，第一應(yīng)變片組與第二 應(yīng)變片組結(jié)構(gòu)相同，每個應(yīng)變片組包括四個應(yīng)變片，每個應(yīng)變片構(gòu)成惠斯通 全橋電路的一個橋臂，所述惠斯通全橋電路的輸入端接電源。 所述的力傳感器的風速測量方法，其特征在于包括如下步驟 第一步采用力傳感器檢測實際風速得到電壓變化信號Af/。； 第二步采用第一步所述的電壓變化信號Af/。計算得到二維力
其中At/。？ At^分別為第一步所述的電壓變化信號AC/。在x軸和y軸的分 量，五為材料彈性模量，f^和f^分別為傳感器截面在x軸和y軸的彎曲截 面系數(shù)，t/為惠斯通全橋電路的電源電壓，^和Z^分別為第一應(yīng)變片組和 第二應(yīng)變片組的力臂，〖為應(yīng)變靈敏系數(shù)，K和K分別為力傳感器受到的 風載荷F在x軸和y軸的分力即二維力；第三步采用第二步所述的二維力計算得到第一步所述實際風速v在x
傳感器的橫截面積，^和、分別為實際風速v在x軸和y軸的分量；
第四步采用第三步所述的實際風速在x軸和y軸的分量^和、得到實
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明基于風載荷原理，它由兩個正交的彈性應(yīng)變 梁組成，采用應(yīng)變片測量彈性梁的風載荷，達到風速、風向測量的目的。與 普遍使用的機械式風速儀相比，它沒有運動部件，具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單可 靠，環(huán)境適用性強的特點，是一種極有發(fā)展前景的風速測量儀。
本發(fā)明原理簡單，結(jié)構(gòu)新穎，該力傳感器結(jié)構(gòu)特殊，其自身具有有效敏 感單向力的特性，加之輸出橋路完全獨立，使該2維傳感器的維間耦合度盡
可能的降低，基本解決了困擾多維力傳感器精度提高的維間耦合問題。將該 多維力傳感器運用與風速測量領(lǐng)域是一種新的嘗試，通過進一步的實驗將測 得的環(huán)境參數(shù)(如氣壓戶，絕對濕度e，溫度f等)用以對空氣重度進行標 定，便能有效的克服了傳統(tǒng)風速測量方法受外界環(huán)境因素影響較大的問題， 而且結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)多相精確測量，作為該新型多維力傳感器的工程應(yīng)用 具有很廣闊的開發(fā)價值。
軸和y軸的分量:
v = 、/163(XP = 、/l630At/OT『v￡/^7L,<S
x V x / >v / ^
,其中s為力
v =、/l630F= 、 1630At/『五/咒WvS1
少^/ J V 炒j/ S


圖1 (a)是本發(fā)明力傳感器X方向截面圖,
6(b)是本發(fā)明力傳感器Y方向截面圖； 圖2是本發(fā)明力傳感器應(yīng)變梁截面； 圖3是本發(fā)明惠斯通全橋電路圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明
如圖l所示，1為一個圓形截面的受風體，由它將風壓轉(zhuǎn)換成二維力傳 感器的載荷。2為彈性梁，它實質(zhì)上是兩個正交的彈性應(yīng)變梁的組合，彈性 梁分別開上下兩個槽丄》，用以增加傳感器的靈敏度。彈性梁的兩側(cè)分別貼 一組應(yīng)變片3、 4,構(gòu)成惠斯通差動全橋測量電路，可以分別測量彈性梁的J、 /兩個方向的應(yīng)變，從而測量出彈性梁的風載荷尸。其中，上方傳感器^用 于測量Z方向作用力,x，下方傳感器A用于測量f方向的作用力^。
如圖2所示，傳感器應(yīng)變梁僅有一對側(cè)面的表面貼有應(yīng)變片，用于感知 特定方向的梁體變形(如圖中應(yīng)變片A感知的是X方向的應(yīng)變)，加之梁體 中空，加大了被感知方向(如圖中所示X方向)的梁體變形，大大降低了其 他方向(如圖中Y方向)的力對應(yīng)變片的影響，幾乎可以忽略不計。
測量步驟如下
1、受風體受到風載荷,作用，分解后得到圖1所示的J， f方向上的分 力A，尸7。才艮據(jù)傳感器的位置確定對應(yīng)的應(yīng)變片A "所受的力矩#/， I
2、當傳感器橫截面上同時作用有兩個方向上的彎矩作用時，由于材料 服從胡克定律且變形很小，可利用疊加原理得到橫截面上最危險處正應(yīng)力為(2)
其中Wx和W/為傳感器截面的彎曲截面系iL 忽略維間干護L,可以將(2)式改成
(3)
根據(jù)圖2，易得
2(W力/(12辦力)=6V48 (4) 3、由胡克定律可知應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系為f-a/丑，進一步得到
(5)
|^= /五=尸,丄,/^￡
E為與材料性質(zhì)有關(guān)的彈性常數(shù)。
4、利用惠斯通全橋方式，即在電橋的四個橋臂位置都接入應(yīng)變片電阻 (如圖3， A、 A、 v 3、 A為橋臂電阻)測量應(yīng)變片所受應(yīng)力情況，接入電橋 的相對臂應(yīng)變計受拉(AA/A， AA/A),相鄰臂應(yīng)變計受壓(-AA/A，-△ A/幻，在全等臂條件下U產(chǎn)A^ 產(chǎn)A)得到
l + 0.5(AWAi 2/i 2 + M3/i 3-M4/i 4) —
其中AA/ 產(chǎn)r。，即
5、通過對電壓變化的測量獲得應(yīng)變片的應(yīng)變，將(6)代入(7)得:
'尸=At/『五/^f/丄， 尸=At/『五/《t/i^
(6)
(7)
(8)
6、由于風作用于特定截面會產(chǎn)生壓強(w,牛每平方米)，稱其為風壓,
風壓與風速的關(guān)系
8^丄v2 (9)
其中，F(xiàn)為被測風速(巡/y), y為空氣重度(^/乂)，它與空氣密度/ 成 正比，y = / #, g為重力加速度(9. 8/z //)。
空氣重度y是氣壓p(毫米水4M主高)，絕對濕度e(毫米水銀柱高)，溫 度f (°C )的函數(shù)，其計算公式為
;k = 1.293(P - 0.378)/760(1 + 0.003870 (10)
在氣壓為101. 325a尸a、常溫15。c和絕對干燥的情況下，y =0.012018 irA//zA在綿度45°處，海平面上的重力加速度為薩9. 8/ //,代入(9 )式
3曰
付
^ = "2/2g = 0.012018v2/2x9.8 v2/l63(W/m2 (11) 而氣壓戶，絕對濕度e,溫度f均與海拔有關(guān)，在實際的風速測量過程中， 可以通過實驗將環(huán)境參數(shù)代入(2)式，用以y對空氣重度進行修正。 又因為尸=0^, 5為截面面積，所以
vx/y 二^1630畢 (12) 7、利用步驟E中所述的多維力傳感器結(jié)構(gòu)及惠斯通電橋部分就能測量 出二維力(尸x， F力，將其帶入(12)式就得到風速(:
v = Jl630AC7釅五/i:C/丄^ 8、最后一艮據(jù)平行四邊形法則進行和成得到:
(13)
v = 、/v +v
,—1,
(14)
tan" = tan— (v力義) 由此得到所需要測得的風速大小和方向,9、再對測力傳感器的受力面積進^f亍估算。本發(fā)明所述多維力傳感器最 大量程為200&即0. 21^，為2#。取最大量程為2Y對應(yīng)風速成30頂/s，所 需面積為^,/w=2/(900 x 1000/1630) =0. 0036/z/=36c/z/，即面積為6x6厘 米。當風速為l/z A時，產(chǎn)生的力為A wi^O. 0036 x 1000/1630=0. 002iV，即 相當于0. 0002^=0. 2《,為1/100的精度。
權(quán)利要求
1、一種力傳感器，其特征在于包括受風體(1)、彈性梁(2)、第一應(yīng)變片組(3)和第二應(yīng)變片組(4)，其中彈性梁(2)固定于受風體(1)的內(nèi)部，第一應(yīng)變片組(3)設(shè)置于彈性梁(2)的上部前側(cè)，第二應(yīng)變片組(4)設(shè)置于彈性梁(2)的下部后側(cè)，第一應(yīng)變片組(3)與第二應(yīng)變片組(4)結(jié)構(gòu)相同，每個應(yīng)變片組包括四個應(yīng)變片，每個應(yīng)變片構(gòu)成惠斯通全橋電路的一個橋臂，所述惠斯通全橋電路的輸入端接電源。
2、 一種基于權(quán)利要求1所述的力傳感器的風速測量方法，其特征在于 包括如下步驟第一步采用力傳感器檢測實際風速得到電壓變化信號At/。；第二步:采用第一步所述的電壓變化信號At/。計算得到二維力F =At/『五/紐丄，Y 。y y / "其中AC/ot、 At^分別為第一步所述的電壓變化信號At/。在x軸和y軸的分 量，五為材料彈性才莫量，^和^分別為傳感器截面在x軸和y軸的彎曲截 面系數(shù)，t/為惠斯通全橋電路的電源電壓，^和丄s分別為第一應(yīng)變片組(3) 和第二應(yīng)變片組(4)的力臂，〖為應(yīng)變靈敏系數(shù)，《和K分別為力傳感器 受到的風載荷F在x軸和y軸的分力即二維力；第三步采用第二步所述的二維力計算得到第一步所述實際風速v在xt , |v = 、/163(XF = 、/1630At/義五/勝ZvS ",, 軸和y軸的分量'Vx V ot y Z ",其中S為力v = 、/l630At/ K￡/〖C/￡fl(S、少A/ >V A/ 炒j/ ￡傳感器的橫截面積，！^和、分別為實際風速v在x軸和y軸的分量；第四步采用第三步所述的實際風速在x軸和y軸的分量\和、得到實際風速V以及實際風速角CTtan" = tan—乂、/Vj)
全文摘要
本發(fā)明公布了一種力傳感器及其風速測量方法。本發(fā)明所述力傳感器包括受風體、彈性梁、第一應(yīng)變片組和第二應(yīng)變片組，本發(fā)明所述測量方法采用應(yīng)變片測量彈性梁的風載荷，測量得到風速、風向。本發(fā)明沒有運動部件，具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單可靠，環(huán)境適用性強。
文檔編號G01P13/02GK101509816SQ200910029970
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者宋愛國, 崔建偉, 許茜茜 申請人:東南大學