專利名稱：四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及自然風(fēng)場的測量裝置，具體涉及一種四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器。
背景技術(shù)：
利用超聲風(fēng)傳感器測量風(fēng)速的優(yōu)勢在于不含運動部件，環(huán)境適應(yīng)性好，測量范圍 廣，并且沒有最低測量風(fēng)速的限制。已有的經(jīng)典結(jié)構(gòu)的三維超聲風(fēng)傳感器，都是由三對(六 只)超聲波探頭構(gòu)建三維測量風(fēng)場。上述超聲波探頭為基本測量單元，其內(nèi)部包含有壓電 晶片，用于發(fā)射和接收固定頻率的超聲波，發(fā)射時壓電晶片將電能轉(zhuǎn)換為機械振動而產(chǎn)生 超聲波，接收時壓電晶片將超聲波產(chǎn)生的機械振動轉(zhuǎn)換為電能。其超聲波探頭前端的散射 罩為平面圓形，每一對探頭的散射罩彼此正對，使超聲波探頭可以互相收發(fā)超聲波，構(gòu)成一 條測量路徑，而且三條路徑構(gòu)成三維正交坐標系(三維笛卡爾坐標系)。通過測量超聲波在 每條路徑上來回傳播的時間差，計算矢量風(fēng)在三條路徑上的分量，再經(jīng)過矢量合成的運算， 得到標準坐標系下的三維風(fēng)速。基于這種結(jié)構(gòu)的超聲風(fēng)傳感器存在幾項缺點，首先是它必須使用六只超聲波探 頭，一方面增加了成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。另一方面故障率較高。只要任何一只探頭發(fā)生故 障，測量結(jié)果無效，傳感器損壞無法使用。另外，由于三條測量路徑都不在水平方向上，也不在豎直方向上，因此要得到標準 坐標系(XY-平面平行于水平面的三維笛卡爾坐標系)下的X，Y，Z三軸分量，必須經(jīng)過復(fù)雜 的空間幾何運算而增加了計算的難度。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不 足。本實用新型的技術(shù)方案包括支座與底座上的超聲波探頭，以及支座和底座間的支 架，和位于底座下方的控制艙，其特征在于在支座上垂直設(shè)有一只超聲波探頭，在底座上設(shè) 有三只超聲波探頭；且上述四只超聲波探頭的頂端面的四個中心點，是空間四面體的四個 頂點?；蛘呱鲜鏊拿骟w結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，是在底座上垂直設(shè)有一只超聲波探頭，在支 座上設(shè)有三只超聲波探頭。上述安裝在支座或底座上的三只超聲波探頭的頂端面的中心點所確定的平面平 行于水平面。上述以四只超聲波探頭的頂端面中心點為四個頂點的四面體，可以為正四面體， 直角四面體，或其它的四面體。為了更好地發(fā)散超聲波以及保護超聲波探頭的壓電晶片，在超聲波探頭頂端設(shè)有 陶瓷材質(zhì)的散射罩，其表面形狀為球冠面，并且散射罩的底面與超聲波探頭的頂端面重合。利用上述四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器測量風(fēng)速的方法是首先以支座或底座上的三個中心點所在的水平面為XY-平面，以XY-平面內(nèi)的一個中心點為坐標系原點0，以一條 XY-平面內(nèi)過原點0的路徑為X軸，在XY-平面內(nèi)過原點0作X軸的垂線為Y軸，過原點0 作XY-平面的的垂線為Z軸，X、Y、Z三軸按照右手定則的指向建立一個標準坐標系；在標準 坐標系下測量聲波在風(fēng)場中沿每條測量路徑正反兩個方向上傳播的時間差，以聲速和時間 表達每條路徑上的風(fēng)速分量，然后利用兩條水平面內(nèi)的路徑上的風(fēng)速分量合成XY-平面上 的二維風(fēng)速，再用該二維風(fēng)速與XY-平面外過原點0的風(fēng)速分量合成三維風(fēng)速矢量，分解該 矢量，即得到標準坐標系下的X，Y，Z三軸風(fēng)速分量。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是將超聲波探頭的數(shù)量由六只減少為四 只。由于探頭數(shù)量的減少，既精簡了傳感器結(jié)構(gòu)，又降低了成本和故障率。本實用新型設(shè)計 的一種帶有球冠面散射罩的超聲波探頭，具有良好的曲面發(fā)散性，將測量路徑由三條增加 為六條，其中有三條測量路徑位于XY-平面上，大大地簡化了計算標準X，Y，Z三軸風(fēng)速分量 的復(fù)雜度。

圖1本實用新型的底座上安裝三只超聲波探頭的傳感器示意圖。圖2本實用新型的支座上安裝三只超聲波探頭的傳感器示意圖。圖3本實用新型的超聲波探頭、及其頂端面上的中心點示意圖。圖4本實用新型的測量方法示意圖。其中，1、超聲波探頭，2、支架，3、支座，4、底座，5、控制艙，6、散射罩，7、中心點，8四面體。
具體實施方式
如圖1、2和4，本實用新型包括支座3與底座4上的超聲波探頭1，以及支座3和 底座4間的支架2，和位于底座4下方的控制艙5，其特征在于在支座3上垂直設(shè)有一只超 聲波探頭1，且在底座4上設(shè)有三只超聲波探頭1，且上述四只超聲波探頭1的頂端面的中 心點7，是空間四面體8的四個頂點?；蛘呱鲜鏊拿骟w結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，是在底座4上垂直設(shè)有一只超聲波探頭1，在 支座3上設(shè)有三只超聲波探頭1。上述安裝在底座4或者支座3上的三只超聲波探頭1的頂端面的中心點7所確定 的平面平行于水平面。上述以四只超聲波探頭1的頂端面中心點7為四個頂點的四面體8，可以為正四面 體，直角四面體或其它的四面體。如圖3，上述超聲波探頭1為本實用新型的基本測量單元，可以發(fā)射和接收固定頻 率的超聲波，是已有的市售產(chǎn)品。為了更好地發(fā)散超聲波以及保護超聲波探頭1的壓電晶 片，在超聲波探頭1頂端設(shè)有陶瓷材質(zhì)的散射罩6，其表面形狀為球冠面，并且散射罩6的底 面與超聲波探頭1的頂端面重合。如圖1、2，上述支架2為三條夾角互成120度的剛性裝置，用于固定支座3 ；支架2 的兩端分別固定于支座3和底座4上，內(nèi)部空間用于電氣走線。這是一種已有的成熟支架 結(jié)構(gòu)，可以盡量減弱遮擋效應(yīng)對測量的影響。[0024]上述控制艙5采用已有的成熟電路，是本實用新型的電路控制部件，用于產(chǎn)生、發(fā) 射、接收超聲波信號，并經(jīng)分析計算得到測量結(jié)果。如圖4，本實用新型中包含四只超聲波探頭，兩兩可以互相收發(fā)超聲波，所以本實 用新型所述的傳感器共有a，b，c, d，e, f六條測量路徑。如圖4，本實用新型的測量方法以底座4上的超聲波探頭1的三個中心點7所在 的水平面為XY-平面，以XY-平面內(nèi)一個中心點7為坐標系原點0，以一條XY-平面內(nèi)過原 點0的路徑為X軸，過原點0在XY-平面內(nèi)作X軸的垂線為Y軸，過原點0作XY-平面的的 垂線為Z軸，X，Y，Z三軸的指向按照右手定則建立一個標準坐標系；然后經(jīng)由控制艙5控制 一對探頭互相收發(fā)超聲波，計算風(fēng)速在每條路徑上來回傳播的時間差，以時間和聲速來表 達每條路徑上的風(fēng)速分量。然后如圖4獲得X、Y、Z三軸的風(fēng)速分量如下從原點0出發(fā)的三條測量路徑中， 路徑a，b位于XY-平面之內(nèi)，其中路徑a是X軸，a上的風(fēng)速分量即為X軸風(fēng)速分量，合成 a,b上的風(fēng)速分量得到XY-平面上的二維風(fēng)速矢量。以該矢量的終點為垂足作XY-平面的 垂線。從原點0出發(fā)的路徑c位于XY-平面之外，以c上的風(fēng)速分量矢量的終點為垂足，作 路徑c的垂面，上述垂線和垂面必有一個交點，從原點0出發(fā)指向這個交點的矢量就是所要 測量的三維風(fēng)速矢量。分解該矢量得到Y(jié)軸和Z軸風(fēng)速分量，即可完成標準坐標系下的三 維風(fēng)速的測量。本實用新型的設(shè)置在支座3和底座4上的四只超聲波探頭1的四個中心點7所確 定的四面體8，是適用于各種四面體。尤以正四面體和直角四面體結(jié)構(gòu)在測量和計算時最為 簡便，下述實施例作進一步說明實施例1以正四面體為例將四個超聲波探頭1布設(shè)在正四面體的頂點處，即四個超聲波探頭1的散射罩6 的底面中心點7確定的四面體8為正四面體。正四面體是指四面體的四個側(cè)面均為正三角 形，六條邊相等，所有頂點夾角均為60度。如圖4，保持一個側(cè)面水平，以其為XY-平面，以 該平面內(nèi)的一個頂點為原點0，以一條從原點0出發(fā)的水平路徑為X軸，按照本實用新型所 述的方法建立標準坐標系。正四面體具有很好的空間對稱性，并且其各條路徑夾角相等，因 此在計算XY-平面內(nèi)的二維風(fēng)速、三維風(fēng)速、和X，Y，Z三軸風(fēng)速分量時，為矢量的空間幾何 運算帶來了方便。實施例2以直角四面體為例將四個超聲波探頭1布設(shè)在直角四面體的頂點處，即由四個超聲波探頭1的散射 罩6的底面中心點7確定的四面體8為直角四面體。直角四面體是指四面體有一個直角頂 點，包含直角頂點的三個直角側(cè)面兩兩垂直。因此，以一個直角側(cè)面為XY-平面，以直角頂 點為原點0，以從原點0出發(fā)的一條直角邊為X軸，另外兩條直角邊為Y軸和Z軸，建立標 準坐標系。如圖4，即從原點出發(fā)的三條測量路徑a，b，c，恰好與標準坐標系的X，Y，Z軸重 合。按照本實用新型所述的測量方法得到這三條路徑上的風(fēng)速分量，即為標準X，Y，Z三軸 風(fēng)速分量。合成X，Y，Z三軸風(fēng)速分量即得到要測量的三維風(fēng)速。本實施例通過三條路徑上 的風(fēng)速分量而直接得到X、Y、Z三軸風(fēng)速分量，從而完全省去了矢量分解的運算。
權(quán)利要求一種四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，包括支座(3)與底座(4)上的超聲波探頭(1)，以及支座(3)和底座(4)間的支架(2)，和位于底座(4)下方的控制艙(5)，其特征在于在支座(3)上垂直設(shè)有一只超聲波探頭(1)，在底座(4)上設(shè)有三只超聲波探頭(1)；且上述四只超聲波探頭(1)的四個頂端面的四個中心點(7)，是空間四面體(8)的四個頂點。
2.—種四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，包括支座(3)與底座(4)上的超聲波探頭(1)，以及 支座⑶和底座⑷間的支架(2)，和位于底座⑷下方的控制艙(5)，其特征在于在底座(4)上垂直設(shè)有一只超聲波探頭(1)，在支座(3)上設(shè)有三只超聲波探頭(1)；且上述四只 超聲波探頭(1)的四個頂端面的四個中心點(7)，是空間四面體(8)的四個頂點。
3.如權(quán)利要求1或2所述的四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，其特征在于在支座(2)上或底 座(3)上的三只超聲波探頭(1)的頂端面的中心點(7)所確定的平面平行于水平面。
4.如權(quán)利要求1或2所述的四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，其特征在于上述以四只超聲波 探頭(1)的四個頂端面中心點(7)為四個頂點的四面體(8)，是正四面體、直角四面體，或其 它的四面體。
5.如權(quán)利要求1或2所述的四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，其特征在于上述超聲波探頭 (1)的頂端設(shè)有散射罩(6)，該散射罩(6)表面為球冠面，且散射罩(6)的底面與超聲波探 頭(1)的頂端面重合；所述的散射罩(6)是陶瓷罩。專利摘要本實用新型涉及一種四面體結(jié)構(gòu)超聲風(fēng)傳感器，包括支座與底座上的超聲波探頭，以及支座和底座間的支架，和位于底座下方的控制艙，其特征在于在支座或者底座上垂直設(shè)有一只探頭，且在底座或者支座上設(shè)有三只探頭，且上述四只超聲波探頭的頂端面的四個中心點，是空間四面體的四個頂點；或者是在底座上垂直設(shè)有一只超聲波探頭，在支座上設(shè)有三只超聲波探頭；安裝在支座或底座上的三只超聲波探頭的頂端面的中心點所確定的平面平行于水平面，上述四面體可以是正四面體，直角四面體或其它的四面體。本實用新型將探頭數(shù)由六只減少為四只，既精簡了傳感器結(jié)構(gòu)，又降低了成本和故障率；且將測量路徑由三條增加為六條，大大地簡化了計算風(fēng)速的復(fù)雜度。
文檔編號G01P5/24GK201662580SQ201020128819
公開日2010年12月1日 申請日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者劉世萱, 劉海豐, 劉雷, 李民, 王曉燕, 郭發(fā)東, 齊勇 申請人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所