本發(fā)明屬于風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量,具體的為一種絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器和風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法。
背景技術(shù):
1、風(fēng)機(jī)扇葉在不同環(huán)境狀況下的受力情況以及表面風(fēng)向的分布是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前,大都采用仿真分析來(lái)判斷分析風(fēng)機(jī)的受力情況,但是基于理論分析的風(fēng)機(jī)扇葉的表面風(fēng)向分布情況無(wú)法通過(guò)檢測(cè)進(jìn)行模型的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。為了解決該問(wèn)題,現(xiàn)有技術(shù)中,采用可視化纖維流動(dòng)測(cè)試技術(shù),將豎向的纖維粘貼在測(cè)試物體表面,而后將測(cè)試物體置于風(fēng)場(chǎng)中,通過(guò)高速相機(jī)捕捉流場(chǎng)下的纖維朝向,以此判斷風(fēng)向的分布。
2、可視化纖維流動(dòng)測(cè)試技術(shù)雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)向測(cè)試,但難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體的,由于可視化纖維流動(dòng)測(cè)試技術(shù)需要采用高速相機(jī)捕捉畫(huà)面,其應(yīng)用的場(chǎng)景受到限制,不能應(yīng)用在實(shí)際風(fēng)機(jī)的扇葉上進(jìn)行風(fēng)向分布上檢測(cè);且捕捉圖片后,還需要大量的時(shí)間去比對(duì)和后期處理。另外,可視化纖維流動(dòng)測(cè)試技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)速檢測(cè)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此,本發(fā)明的目的在于提供一種絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器和風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法,能夠測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。
2、為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
3、本發(fā)明首先提出了一種絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器,包括底座和絨毛元件;所述底座上設(shè)有卡槽,所述絨毛元件的下端安裝在所述卡槽內(nèi);
4、所述絨毛元件包括柔性外殼,所述柔性外殼的內(nèi)腔內(nèi)設(shè)有風(fēng)速測(cè)量元件,所述風(fēng)速測(cè)量元件包括中心桿和螺旋線;所述中心桿設(shè)置在所述柔性外殼的內(nèi)腔中心,且所述中心桿的上下兩端均與所述柔性外殼固定連接,或,所述中心桿的下端與所述柔性外殼固定連接、上端位于所述柔性外殼的內(nèi)腔內(nèi);所述螺旋線沿著所述中心桿長(zhǎng)度方向以圓柱螺旋方式設(shè)置,且所述螺旋線設(shè)置在所述柔性外殼的內(nèi)腔內(nèi)壁上;所述中心桿和螺旋線兩者中,其中一個(gè)設(shè)為滑動(dòng)電阻,另一個(gè)采用金屬材料制成;
5、所述絨毛元件與所述卡槽之間設(shè)有風(fēng)向測(cè)量元件,所述風(fēng)向測(cè)量元件包括設(shè)置在所述卡槽內(nèi)壁上端的外環(huán)件和與所述外環(huán)件對(duì)應(yīng)設(shè)置在所述柔性外殼外壁上的內(nèi)環(huán)件;所述外環(huán)件和內(nèi)環(huán)件兩者中,其中一個(gè)設(shè)為滑動(dòng)電阻,另一個(gè)采用金屬材料制成。
6、進(jìn)一步,所述中心桿和螺旋線兩者中,所述螺旋線設(shè)為滑動(dòng)電阻,所述中心桿采用金屬材料制成。
7、進(jìn)一步,所述外環(huán)件和內(nèi)環(huán)件兩者中,所述外環(huán)件設(shè)為滑動(dòng)電阻,所述內(nèi)環(huán)件采用金屬材料制成。
8、進(jìn)一步,所述底座上設(shè)有至少一個(gè)所述卡槽。
9、進(jìn)一步,所述卡槽的槽底設(shè)有球形凹槽,所述柔性外殼的下端設(shè)有與所述球形凹槽配合的球形支座。
10、本發(fā)明還提出了一種風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法,將如上所述絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝在被測(cè)物體表面后,將被測(cè)物體置于風(fēng)場(chǎng)中;所述絨毛元件在風(fēng)載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形,使風(fēng)向測(cè)量元件的內(nèi)環(huán)件與外環(huán)件接觸和使風(fēng)速測(cè)量元件的中心桿與螺旋線接觸,采集風(fēng)向測(cè)量元件和風(fēng)速測(cè)量元件的電阻值;通過(guò)風(fēng)向測(cè)量元件的電阻值得到內(nèi)環(huán)件和外環(huán)件之間的接觸位置并得到絨毛元件的彎曲方向,即風(fēng)向;通過(guò)風(fēng)速測(cè)量元件的電阻值得到螺旋線與中心桿之間的接觸位置,利用螺旋線與中心桿之間的接觸位置求解得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷大小和風(fēng)速大小。
11、進(jìn)一步,利用螺旋線與中心桿之間的接觸位置求解得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷大小和風(fēng)速大小的方法為:建立風(fēng)載荷作用下的柔性外殼受力彎曲模型和中心桿受力彎曲模型;利用采集得到的風(fēng)速測(cè)量元件的電阻值,得到柔性外殼和中心桿的彎曲形變的接觸位置;根據(jù)柔性外殼與中心桿的彎曲變形接觸幾何關(guān)系,求解得到風(fēng)載荷,根據(jù)柔性外殼受到的風(fēng)載荷求解得到風(fēng)速。
12、進(jìn)一步,所述中心桿的上下兩端均與所述柔性外殼固定連接,柔性外殼受力彎曲模型為:
13、
14、其中:為柔性外殼在位置處的累計(jì)彎曲變形;為絨毛元件露出卡槽的長(zhǎng)度;為施加在柔性外殼上的平均風(fēng)載荷;為柔性外殼的截面抵抗矩;為柔性外殼的彈性模量;中心桿的彈性模量;為中心桿的截面抵抗矩。
15、進(jìn)一步,所述中心桿的上下兩端均與所述柔性外殼固定連接,中心桿受力彎曲模型為:
16、
17、其中:為中心桿在位置處的累計(jì)彎曲變形;為中心桿兩固定端之間的長(zhǎng)度;中心桿的彈性模量;為中心桿的慣性矩;為中心桿的截面抵抗矩?;為中心桿在位置處的彎曲變形?。
18、進(jìn)一步,柔性外殼與中心桿的彎曲變形接觸幾何關(guān)系為:
19、
20、其中:為柔性外殼內(nèi)腔內(nèi)壁與中心桿外壁之間的間距;為柔性外殼在位置處的累計(jì)彎曲變形;為中心桿在位置處的累計(jì)彎曲變形。
21、本發(fā)明的有益效果在于:
22、本發(fā)明的絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器,通過(guò)在底座上設(shè)置卡槽,并在卡槽內(nèi)安裝絨毛元件,如此,利用設(shè)置在絨毛元件與卡槽之間的風(fēng)向測(cè)量元件能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)向的實(shí)時(shí)測(cè)量,通過(guò)設(shè)置在柔性外殼內(nèi)的風(fēng)速測(cè)量元件能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)速的實(shí)時(shí)測(cè)量;具體的:
23、風(fēng)向測(cè)量原理為:當(dāng)絨毛元件受到風(fēng)載荷后會(huì)發(fā)生彎曲變形,如此,設(shè)置在柔性外殼上的內(nèi)環(huán)件會(huì)與設(shè)置在卡槽內(nèi)壁的外環(huán)件接觸,內(nèi)環(huán)件與外環(huán)件不同的接觸位置具有不同的電阻值,通過(guò)采集風(fēng)向測(cè)量元件的電阻值,即可得到絨毛元件的彎曲方向,絨毛元件的彎曲方向與風(fēng)載荷方向相同,如此,即可得到風(fēng)載荷方向;
24、風(fēng)速測(cè)量原理為:當(dāng)絨毛元件受到風(fēng)載荷后會(huì)發(fā)生彎曲變形,但由于柔性外殼和中心桿的彎曲變形量不同,因此,在不同的風(fēng)載荷大小的作用下,柔性外殼與中心桿接觸的位置不同;由于柔性外殼與中心桿之間的不同接觸位置具有不同的電阻值,因此,通過(guò)采集風(fēng)速測(cè)量元件的電阻值,能夠?qū)?yīng)得到柔性外殼與中心桿的接觸位置以及絨毛元件的彎曲變形量及彎曲變形形態(tài),進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷大小;
25、綜上,本發(fā)明的絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)向和風(fēng)速的實(shí)時(shí)測(cè)量,且還能夠?qū)崟r(shí)得到絨毛元件的彎曲變形形態(tài),當(dāng)應(yīng)用于仿真分析時(shí),能夠?qū)Ρ粶y(cè)物體表面不同位置的絨毛彎曲形態(tài)、風(fēng)載荷的方向和風(fēng)速大小等進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真和可視化仿真。
1.一種絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器,其特征在于:包括底座和絨毛元件;所述底座上設(shè)有卡槽,所述絨毛元件的下端安裝在所述卡槽內(nèi);
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器,其特征在于:所述中心桿和螺旋線兩者中,所述螺旋線設(shè)為滑動(dòng)電阻,所述中心桿采用金屬材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器,其特征在于:所述外環(huán)件和內(nèi)環(huán)件兩者中,所述外環(huán)件設(shè)為滑動(dòng)電阻,所述內(nèi)環(huán)件采用金屬材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器,其特征在于:所述底座上設(shè)有至少一個(gè)所述卡槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器,其特征在于:所述卡槽的槽底設(shè)有球形凹槽,所述柔性外殼的下端設(shè)有與所述球形凹槽配合的球形支座。
6.一種風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法,其特征在于:將如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述絨毛式風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝在被測(cè)物體表面后,將被測(cè)物體置于風(fēng)場(chǎng)中;所述絨毛元件在風(fēng)載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形,使風(fēng)向測(cè)量元件的內(nèi)環(huán)件與外環(huán)件接觸和使風(fēng)速測(cè)量元件的中心桿與螺旋線接觸,采集風(fēng)向測(cè)量元件和風(fēng)速測(cè)量元件的電阻值;通過(guò)風(fēng)向測(cè)量元件的電阻值得到內(nèi)環(huán)件和外環(huán)件之間的接觸位置并得到絨毛元件的彎曲方向,即風(fēng)向;通過(guò)風(fēng)速測(cè)量元件的電阻值得到螺旋線與中心桿之間的接觸位置,利用螺旋線與中心桿之間的接觸位置求解得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷大小和風(fēng)速大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法,其特征在于:利用螺旋線與中心桿之間的接觸位置求解得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)載荷大小和風(fēng)速大小的方法為:建立風(fēng)載荷作用下的柔性外殼受力彎曲模型和中心桿受力彎曲模型;利用采集得到的風(fēng)速測(cè)量元件的電阻值,得到柔性外殼和中心桿的彎曲形變的接觸位置;根據(jù)柔性外殼與中心桿的彎曲變形接觸幾何關(guān)系,求解得到風(fēng)載荷,根據(jù)柔性外殼受到的風(fēng)載荷求解得到風(fēng)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法,其特征在于:所述中心桿的上下兩端均與所述柔性外殼固定連接,柔性外殼受力彎曲模型為:
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法,其特征在于:所述中心桿的上下兩端均與所述柔性外殼固定連接,中心桿受力彎曲模型為:
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法,其特征在于:柔性外殼與中心桿的彎曲變形接觸幾何關(guān)系為: