本發(fā)明涉及一種基于單片機(jī)的低功耗，便攜式，小型化的無線流速壓感定量測量儀，可廣泛地應(yīng)用于氣象、民航、公路、建筑、能源等行業(yè)。

背景技術(shù)：

流體對我們生活的影響無處不在，而流速作為流體的一個(gè)重要參數(shù)，因此如何讓流速的測量更方便成為了一個(gè)迫切的需要。目前，常見的流速測量系統(tǒng)有機(jī)械式、速度式、超聲式、差壓式等多種方式。其中機(jī)械式通過流體對轉(zhuǎn)子的作用力實(shí)現(xiàn)流速的測量；差壓式利用流體流過阻流件產(chǎn)生的壓力差與流量之間的關(guān)系計(jì)算流速；速度式通過測量管道截面上流體的平均流速來測量流速；超聲式利用流體中微粒流動(dòng)的速度計(jì)算流體的流速。

綜上所述，以上這些測量系統(tǒng)一般都體積大，精度較低，測量流速范圍較小，而且需要將其傳感部分裝在管內(nèi)，這樣不便于安裝維修。同時(shí)采用有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，導(dǎo)致觀察人員對流速的測量受到環(huán)境的限制，尤其對有毒有腐蝕性易爆及帶放射性介質(zhì)流體的測量。因此需要開發(fā)一款具有低功耗，小型化，便攜式等特點(diǎn)的無線流速壓感定量測量儀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：目前業(yè)界產(chǎn)品進(jìn)行流速測量時(shí)還無法準(zhǔn)確、定量化地預(yù)知流速的方向及強(qiáng)度和針對三維場中運(yùn)動(dòng)流體的粘性和旋的作用，本測量儀先構(gòu)建了一個(gè)三維立體場中的壓力模型，之后，借助于多點(diǎn)在圓柱形測量空間相互作用而形成的同向區(qū)域矢量疊加模型來實(shí)現(xiàn)流速的測量。避免由于電源充放電特性，測量環(huán)境的不穩(wěn)定及電源管理模塊的精度等因素引起的電壓不穩(wěn)定和流速測量精度等問題。由于采樣電阻的激勵(lì)電壓與壓阻式傳感器的激勵(lì)電壓來源一致，采樣電阻的輸出電壓作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓源，故利用增加采樣電阻的比例測量電路監(jiān)測串聯(lián)采樣電阻的激勵(lì)電壓和輸出電壓，并作為流體采樣和轉(zhuǎn)化的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)提高流速矢量測量的精度。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：一種流速壓感定量測量儀，該測量儀包括流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)，無線傳輸系統(tǒng)，圓柱形場約束空間，電源及手持移動(dòng)終端設(shè)備，其中，

所述的圓柱形場約束空間由兩塊半圓柱形測量空間組成，圓柱形測量空間內(nèi)部以東西南北方位開四個(gè)相互垂直的流體通道，以東西南北四個(gè)流體通道的內(nèi)徑線將圓柱形測量空間的表面虛擬分割為四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域以30度的間隔通小圓孔，每個(gè)方位(區(qū)域)分別利用多列小圓孔實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)疊加測量同一區(qū)域流速；

所述的流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)包括主控單元，壓阻式傳感器，電平轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和通訊模塊，利用壓阻式傳感器采集流體的壓強(qiáng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)流體壓強(qiáng)到電壓信號的轉(zhuǎn)換，主控單元完成流速的計(jì)算。通過電平轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)流速壓感定量測量儀與帶有串口的其它終端設(shè)備通訊時(shí)電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換，通訊模塊提供與其它設(shè)備通訊的接口，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸；

所述的無線傳輸系統(tǒng)包括無線藍(lán)牙模塊和電源管理單元，利用無線低功耗藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)流速壓感定量測量儀與手持移動(dòng)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊；

電源為該測量儀各部件提供電源，對壓阻式傳感器分別選用恒壓源與恒流源供電對比發(fā)現(xiàn)采用恒壓源給壓阻式傳感器供電時(shí)壓阻式傳感器的輸出信號容易受測試環(huán)境溫度的影響，故采用恒流源對壓阻式傳感器供電。

更進(jìn)一步的，圓柱形場測量空間包括兩個(gè)半圓柱形外殼，每個(gè)外殼具有兩個(gè)流體通道，其兩個(gè)半圓柱形外殼合并以后形成一個(gè)圓柱形，其內(nèi)置的流體通道分別指向東西南北四個(gè)方位，以東西南北四個(gè)方位流速通道的內(nèi)徑線將圓柱形外殼虛擬分割為四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域以30度的間隔通3列小圓孔感知流體的壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)針對同一區(qū)域多點(diǎn)采集流體的壓強(qiáng)。

更進(jìn)一步的，流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)置于圓柱形場測量空間的內(nèi)部，利用圓柱形場測量空間表面的多列小圓孔疊加采集同一區(qū)域不同方向的多點(diǎn)流體，通過東西南北四個(gè)流體通道將流體傳遞到壓阻式傳感器的感知面，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將流體壓強(qiáng)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用主控單元實(shí)現(xiàn)流速信號的轉(zhuǎn)換和計(jì)算，電平轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)與帶有串口的其它終端設(shè)備通訊時(shí)電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換，通訊模塊提供與無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)慕涌凇?/p>

更進(jìn)一步的，無線傳輸系統(tǒng)中采用藍(lán)牙協(xié)議為BLE 4.0的低功耗藍(lán)牙模塊搭建無線通訊平臺(tái)，利用藍(lán)牙配對手持移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線通訊線路的連接，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。

更進(jìn)一步的，對壓阻式傳感器采用恒壓源供電與恒流源供電作對比，發(fā)現(xiàn)采用恒壓源給壓阻式傳感器供電時(shí)壓阻式傳感器的輸出信號受測試環(huán)境溫度的影響，因此采用恒流源為壓阻式傳感器供電，利用增加采樣電阻的比例測量電路實(shí)現(xiàn)減小或忽視激勵(lì)電壓對流速測量的影響，提高流速的測量精度，降低電源的要求，降低整個(gè)流速壓感定量測量儀的成本。

本發(fā)明的原理在于：

1.流速測量模型

目前業(yè)界產(chǎn)品進(jìn)行流速測量時(shí)還無法準(zhǔn)確、定量化地預(yù)知流體的方向及強(qiáng)度，為解決這個(gè)問題，依據(jù)流體的伯努利方程原理和流體力學(xué)中流體與壓力的關(guān)系，提出了一種基于三維場的流體壓感測量模型。

流體力學(xué)中，流體繞圓柱的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于沿著徑向的方向由源點(diǎn)和匯點(diǎn)疊加形成的無限靠攏的流場。假設(shè)圓柱形的半徑為R，圓柱的圓心位于XOY平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，對圓柱體俯視觀察，流體繞圓柱在二維場投影的流動(dòng)示意圖如圖1所示，其中前駐點(diǎn)A位于x＝-R，B點(diǎn)位于y＝+R，C位于下游區(qū)，后駐點(diǎn)D位于x＝+R處。根據(jù)流體流動(dòng)的對稱性，位于x軸上的那條流線在到達(dá)前駐點(diǎn)A時(shí)出現(xiàn)分岔的現(xiàn)象，沿著圓柱形的前后兩個(gè)表面繼續(xù)流動(dòng)到后駐點(diǎn)D處匯合，再沿著x軸向下方流動(dòng)。

采用均流與偶流疊加表示流體繞圓柱流動(dòng)形成的流場，均勻來流繞半徑為R的圓柱形流動(dòng)的勢函數(shù)Φ和流函數(shù)Ψ分別為：

其中V_∞為流速度，(r，θ)為流體質(zhì)點(diǎn)的極經(jīng)和極角。由于勢函數(shù)、流函數(shù)都滿足拉普拉斯方程和圓柱的邊界條件，對其進(jìn)行求偏導(dǎo)可知與圓柱形表面垂直的徑向速度V_r和與圓柱形表面平行的切向速度V_θ：

根據(jù)公式(2)可知，當(dāng)r＝R時(shí)，圓柱形表面上切向速度V_θ＝-2V_∞sinθ，徑向速度為0。即前駐點(diǎn)A(θ＝π)后駐點(diǎn)D(θ＝0)處切向速度V_θ＝0，圓柱形表面上只有切向速度V_θ，圓柱形表面上任意一質(zhì)點(diǎn)的流速：

V＝V_θ＝-2V_∞sinθ (3)

依據(jù)伯努利方程可得流體繞圓柱流動(dòng)時(shí)圓柱形表面上任意流體質(zhì)點(diǎn)受到壓力P為：

其中P_∞為靜壓，ρ為流體密度，V為流體速度，P為流體壓強(qiáng)，由公式(4)知圓柱表面上任一點(diǎn)的流速可由此流體質(zhì)點(diǎn)受到的壓力求得。

由公式(3)和公式(4)知圓柱形表面上任一流體質(zhì)點(diǎn)的壓力為：

由公式(5)知圓柱表面無量綱的壓力系數(shù)為：

理想的流體繞圓柱形在二維場投影的流動(dòng)模型如圖1(a)所示，流體質(zhì)點(diǎn)作用于圓柱形表面的壓力合力為零。由于流體的粘性，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)作用于圓柱形的表面摩擦作用不能忽略，繞圓柱流動(dòng)時(shí)在圓柱表面形成邊界層。流體質(zhì)點(diǎn)在前駐點(diǎn)A時(shí)流速為0，壓力最大，此時(shí)邊界層厚度近似為0。隨著流體質(zhì)點(diǎn)繞圓柱的表面流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)的流速逐漸變大，壓力逐漸減小，對應(yīng)的邊界層厚度逐漸加厚；流體質(zhì)點(diǎn)由A點(diǎn)到B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程中，由于流體的摩擦力作用將消耗部分能量，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)的速度逐漸減小。到達(dá)B點(diǎn)后，邊界層外邊的流體質(zhì)點(diǎn)受到的壓力增加，流速不斷減小，此時(shí)邊界層外的流體質(zhì)點(diǎn)已不能給邊界層內(nèi)的流體提供額外的能量以減緩流速的減小，此現(xiàn)象導(dǎo)致邊界層內(nèi)的流體需要將能量轉(zhuǎn)換為壓力和克服摩擦阻力。經(jīng)過C點(diǎn)后，圓柱表面附近的流體質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。C點(diǎn)到D點(diǎn)的過程中，由于流體有旋，導(dǎo)致在粘性作用下的流體質(zhì)點(diǎn)在圓柱形表面的下游處發(fā)生分離并形成尾跡區(qū)，不斷形成旋渦如圖1(b)所示。在圓柱形表面的某些區(qū)域內(nèi)，圓柱形表面的流速與壓力不再滿足公式(5)的關(guān)系，導(dǎo)致不能按照公式(5)計(jì)算得到正確的流速。

實(shí)際測量中由于三維場中運(yùn)動(dòng)流體受流體的粘性和旋的作用引起流體作用于圓柱形表面的壓力不同，而引起流速的不同，為解決此問題，本發(fā)明借助于多點(diǎn)在圓柱形場測量空間相互作用而形成的同向區(qū)域矢量疊加模型來實(shí)現(xiàn)流速的測量。

2.供電電壓的高精度實(shí)現(xiàn)

壓阻式傳感器分別選用恒壓源供電與恒流源供電，發(fā)現(xiàn)采用恒壓源給壓力傳感器供電時(shí)存在受測試環(huán)境溫度參數(shù)的影響。

恒壓源U給壓阻式傳感器供電時(shí)，其輸出信號為：

公式(7)中V代表壓阻式傳感器的輸出電壓，U₁、U₂代表隨溫度變化前后傳感器兩端的電壓，R代表電阻，△R代表受到力的作用時(shí)電阻的變化，△R_T代表由于溫度的變化引起電阻的變化。公式(7)表明壓阻式傳感器的輸出電壓V與測試環(huán)境的溫度有關(guān)且為非線性關(guān)系。恒流源I給壓阻式傳感器供電時(shí)，其輸出信號為：

公式(8)中V代表壓阻式傳感器的輸出電壓，U₁、U₂代表隨溫度變化前后傳感器兩端的電壓，R代表電阻，△R代表受到力的作用時(shí)電阻的變化，△R_T代表由于溫度的變化引起電阻的變化。通過公式(8)表明壓阻式傳感器的輸出電壓V與測試環(huán)境的溫度無關(guān)。采用恒流源給壓阻式傳感器供電可消除測試環(huán)境的溫度對傳感器輸出信號的影響，減小對電源性能的要求。

考慮到測試環(huán)境的變化、電源的充放電特性、電源管理模塊穩(wěn)定性的精度等因素，造成加載在壓阻式傳感器兩端的電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，造成測量的流速精度不高。由于壓阻式傳感器采用惠斯通電橋的原理，且其內(nèi)阻一定。其激勵(lì)電壓V_in與輸出電壓V_out存在比例關(guān)系。為保證流速的測量精度，簡化硬件電路的設(shè)計(jì)，采用增加采樣電阻的比例測量電路實(shí)現(xiàn)減小或忽視激勵(lì)電壓對流速的影響。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓源和壓阻式傳感器的激勵(lì)電壓由同一電源提供，意味著對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的模擬輸入和參考電壓源來說，噪聲的來源基本一樣。通過利用采樣電阻的比例測量電路，可消除激勵(lì)電壓對壓力傳感器輸出信號的影響，同樣簡化了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊參考電壓的電壓源和壓力傳感器激勵(lì)電壓源的設(shè)計(jì)。

3.圓柱形場約束空間設(shè)計(jì)

圓柱形場約束空間的設(shè)計(jì)，按照發(fā)明中提出的流速測量模型，同時(shí)結(jié)合美學(xué)的眼光，秉著“簡單、便攜、小型化”的的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。圓柱形場約束空間外觀由兩個(gè)半圓柱形場約束空間組成，內(nèi)部設(shè)置東南西北四個(gè)相互垂直的流體通道，以東南西北四個(gè)流體通道的內(nèi)徑線將外殼虛擬分割為四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域以30度的間隔通小圓孔。圓柱形場約束空間的內(nèi)部區(qū)域放置流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)的電路板，東西南北四個(gè)相互垂直的流體通道與感知元件作用面相接觸。

4.低功耗的實(shí)現(xiàn)

硬件上，采用分時(shí)供電，設(shè)計(jì)了“電源控制”電路；選用低功耗、小型化的元器件。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能采用間斷喚醒的工作方式，實(shí)現(xiàn)元器件的間歇工作；使元器件處于低功耗或者關(guān)閉狀態(tài)，然后通過開關(guān)信號將其喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)。通過以上的方式，降低流速壓感定量監(jiān)測儀的功耗。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)、目前流速測量產(chǎn)品對流速測量時(shí)具有無法準(zhǔn)確、定量化地預(yù)知流體的方向及強(qiáng)度。本發(fā)明提出基于三維場的流體壓感測量模型，借助多點(diǎn)在圓柱形場測量空間相互作用而形成的同向區(qū)域矢量疊加以實(shí)現(xiàn)流速的測量。

(2)、本發(fā)明采用輸入范圍大的壓阻式傳感器多次感知同一方位不同流線上的流體，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)、寬范圍的流速測量。電源供電方面，通過增加采樣電阻的測量電路，消除對電源的高要求，減小整個(gè)系統(tǒng)的成本和簡化電路設(shè)計(jì)，同時(shí)提高流速的測量精度。采用恒流源供電，降低測試環(huán)境參數(shù)對電源和流速的干擾。

(3)、本發(fā)明硬件平臺(tái)選擇低功耗元器件，硬件電路設(shè)計(jì)采用“電源控制”電路實(shí)現(xiàn)間歇式供電；軟件程序設(shè)計(jì)采用間斷喚醒的工作方式實(shí)現(xiàn)外圍模塊的間歇工作。通過以上的方式，降低流速壓感定量測量儀的功耗，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的低功耗。

(4)、分析三維場的流體壓感測量模型，同時(shí)結(jié)合設(shè)備的小型化和便攜式的要求，設(shè)計(jì)流速壓感定量測量儀的圓柱形場約束空間外殼，實(shí)現(xiàn)流速壓感定量測量儀具有小型化、便攜式、流速測量模型清晰、外殼美觀的特點(diǎn)。

(5)、本發(fā)明的流速壓感定量測量儀利用藍(lán)牙配對手持移動(dòng)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，方便觀察員及時(shí)觀察，便攜式攜帶測量儀。

(6)、本發(fā)明的流速壓感定量測量儀可以應(yīng)用于其它應(yīng)用領(lǐng)域，如：軍工實(shí)驗(yàn)，風(fēng)速的測量，風(fēng)能發(fā)電，天氣預(yù)報(bào)，可見該系統(tǒng)具有非常大的潛在市場應(yīng)用需求。

附圖說明

圖1為理想流體和實(shí)際流體繞圓柱在二維場投影的模型示意圖，其中，圖1(a)為理想流體繞圓柱在二維場投影模型示意圖，圖1(b)為實(shí)際流體繞圓柱在二維場投影模型示意圖；

圖2為本發(fā)明的流速壓感定量測量儀原理框圖，圖中201為電源，202為流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)，203為無線傳輸系統(tǒng)，204為移動(dòng)設(shè)備，205為壓阻式傳感器，206為主控單元，207為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，208為通訊模塊，209為電平轉(zhuǎn)換模塊；

圖3為本發(fā)明的部分電路框圖，圖中301為電源，302為電源管理芯片，303為電源管理芯片，304為主控單元，305為壓阻式傳感器，306為采樣電阻；

圖4為本發(fā)明的外殼示意圖，其中，圖4(a)為圓柱形場約束空間外殼示意圖，圖4(b)為圓柱形場約束空間外殼示意圖，圖4(c)為圓柱形場約束空間外殼的固定裝置示意圖；圖中401為固定樁，402為頂部圓盤，403為螺絲，404為流速監(jiān)測圓孔，405為小圓孔，406為側(cè)面固定螺絲，407為流體通道，408為壓阻式傳感器，409為流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)，410為圓柱形場約束空間外殼；

圖5為風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速比對的結(jié)果示意圖，其中，圖5(a)為方位為東風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速對比圖，圖5(b)為方位為西風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速對比圖，圖5(c)為方位為南風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速對比圖，圖5(d)為方位為北風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速對比圖；

圖6為風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速擬合曲線示意圖，其中，圖6(a)為方位為東風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速擬合圖，圖6(b)為方位為西風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速擬合圖，圖6(c)為方位為南風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速擬合圖，圖6(d)為方位為北風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速擬合圖。

具體實(shí)施方式

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合附圖對本發(fā)明采用的技術(shù)方案詳細(xì)說明如下：

如圖2、4所示，本發(fā)明一種流速壓感定量測量儀，包括電源201，流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)202，無線傳輸系統(tǒng)203，移動(dòng)設(shè)備204及圓柱形場約束空間(外殼)410。流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)202包括壓阻式傳感器205，主控單元206，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊207，電平轉(zhuǎn)換模塊209和通訊模塊208。圓柱形場約束空間(外殼)410按照圓柱形場約束空間(外殼)410內(nèi)部的四個(gè)流體通道407將其表面虛擬分割為東南西北四個(gè)互相垂直的區(qū)域，每個(gè)流體通道407對應(yīng)圓柱形場約束空間表面的三列小圓孔405，同一方位不同流線上的流體通過圓柱形場約束空間(外殼)410表面的多列的圓形小圓孔405傳遞到對應(yīng)方位的流體通道407。壓阻式傳感器205的作用面與四個(gè)方位的流體通道407相連接，實(shí)現(xiàn)對同一區(qū)域的多點(diǎn)疊加感知流體壓強(qiáng)。將壓阻式傳感器205感知的流體壓強(qiáng)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊207的模擬輸入端，利用主控單元206對壓強(qiáng)信號處理和計(jì)算，完成流速工程量的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)流速測量。無線傳輸系統(tǒng)203采用藍(lán)牙配對的方式搭建流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)202與移動(dòng)設(shè)備204之間的通訊橋梁，方便觀察者的攜帶和及時(shí)查看流速的測量結(jié)果。

如圖3所示，電源301通過電源管理芯片302將電壓轉(zhuǎn)換為主控單元304的供電電壓。通過軟件控制主控單元304引腳的電平實(shí)現(xiàn)控制電源管理元件303的使能端，實(shí)現(xiàn)控制電源管理元件303的間歇工作，實(shí)現(xiàn)壓阻式傳感器305的間歇供電，實(shí)現(xiàn)“電源控制”電路，降低流速壓感定量測量儀的功耗。采樣電阻306的電壓經(jīng)過分壓作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓，而采樣電阻306與壓阻式傳感器305的感知元件為同一電源供電。采集采樣電阻306的激勵(lì)電壓和輸出電壓分別輸入到主控單元304的模擬輸入端，通過量化轉(zhuǎn)化以后，將該數(shù)據(jù)作為流速采樣和開始轉(zhuǎn)換的標(biāo)志，提高流速的測量精度。

考慮到測試環(huán)境參數(shù)的變化，電源的充放電特性，電源管理模塊的精度等因素，造成加載在壓阻式傳感器感知元件兩端的電壓出現(xiàn)波動(dòng)，流速測量的精度較低等問題。本發(fā)明采用采樣電阻的比例測量電路實(shí)現(xiàn)減小或忽略由于電源的穩(wěn)定性造成的流速測量精度問題。采樣電阻的一端連接壓阻式傳感器的輸出端，另一端經(jīng)分壓后連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓端。由于感知元件采用惠斯通電橋的原理，且內(nèi)阻一定。惠斯通電橋的激勵(lì)電壓V_in與輸出電壓V_out存在比例關(guān)系V_out＝V_in×k₁，采樣電阻的輸出電壓V₁₀與激勵(lì)電壓V_in存在比例關(guān)系V₁₀＝V_in×k₂，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電源V_ref來源于V₁₀的分壓，V_ref＝V₁₀×k₃＝V_in×k₄。將V_OUT與V_ref兩個(gè)電壓進(jìn)行相比：

因此，通過同時(shí)采集采樣電阻的激勵(lì)電壓和輸出電壓，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與激勵(lì)電壓與參考電壓無關(guān)，而只與壓阻式傳感器橋臂的電阻變化量有關(guān)。利用增加采樣電阻的比例測量電路的方法實(shí)現(xiàn)消除激勵(lì)電壓波動(dòng)的成分，保證壓阻式傳感器供電電壓精度，降低整個(gè)電路對電源的要求，并將其作為控制流速采樣和轉(zhuǎn)化的開關(guān)，提高流速測量的精度。

如圖4所示，本發(fā)明提供的流速壓感定量測量儀的圓柱形場約束空間示意圖，其中，圖4(a)為圓柱形場約束空間外殼示意圖，圖4(b)為圓柱形場約束空間外殼示意圖，圖4(c)為圓柱形場約束空間外殼的固定裝置示意圖；其包括一個(gè)圓柱形場約束空間(外殼)410，由兩個(gè)半圓柱形外殼組成，內(nèi)部以東南西北四個(gè)流體通道407的內(nèi)徑線將外殼虛擬分割為四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域以30度的間隔通小圓孔405。通過小圓孔405實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)疊加采集，圓柱形外殼的內(nèi)部區(qū)域放置流速壓感定量監(jiān)測系統(tǒng)409，南西北四個(gè)相互垂直的流體通道407與壓阻式傳感器408感知作用面相接觸，實(shí)現(xiàn)流體的采樣。

在相同的測試環(huán)境下，根據(jù)圖5風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速比對的結(jié)果示意圖，其中，圖5(a)為方位為東風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速對比圖，圖5(b)為方位為西風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速對比圖，圖5(c)為方位為南風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速對比圖，圖5(d)為方位為北風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速對比圖，可知流速壓感定量測量儀測試的風(fēng)速可以在0-30m/s及時(shí)合理變化，同時(shí)流速壓感定量測量儀可以測試更大范圍的風(fēng)速；風(fēng)速感知儀測試的風(fēng)速和流速壓感定量測量儀測試的風(fēng)速的變化趨勢一致，測試的風(fēng)速可以達(dá)到0.1m/s的分辨率。通過對測量風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)速應(yīng)用最小二乘法一元擬合畫出擬合曲線圖6，圖6(a)為方位為東風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速擬合圖，圖6(b)為方位為西風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速擬合圖，圖6(c)為方位為南風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速擬合圖，圖6(d)為方位為北風(fēng)速感知儀與流速壓感定量測量儀的測量風(fēng)速擬合圖。其中方位為北的擬合方程為：y＝-0.8533x-0.0734，R²＝0.9555；方位為南的擬合方程為：y＝1.118x-0.1286，R²＝0.9885；方位為東的擬合方程為：y＝0.6935x+1.0769，R²＝0.9907；方位為西的擬合方程為：y＝-0.8896x-0.2339，R²＝0.9743，其中R²為判定系數(shù)。由東西南北四個(gè)方位的擬合曲線可看出流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速與風(fēng)速感知儀測量的風(fēng)速線性程度非常高，斜率近似接近1，判定系數(shù)接近1，即流速壓感定量測量儀測量的風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)速之間線性相關(guān)程度較高，流速壓感定量測量儀測量的精確性高。