專利名稱：一種三維流速傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及流體的流速測量，特別涉及流體的三維流速測量的傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
流速是流體的一個重要基本參數(shù)，流速測量一直備受關(guān)注，如海洋流場的實時監(jiān)
測和測量是海洋科學考察的重要內(nèi)容，海洋水體的運動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，實時監(jiān)測海流變化，可以對氣候進行及時預測，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甚至是水
平流的百分之一或千分之一。然而，雖然流速測量儀器種類繁多，各具特色，應用于不同的
流速測量中；但是目前的畢托管式差壓流速傳感器、機械式轉(zhuǎn)子流速傳感器、電磁式流速傳
感器、熱式流速傳感器、多普勒聲學流速傳感器以及PIV粒子成像測速儀等，或測量精度難
以提高，或存在轉(zhuǎn)動部件，或難以滿足三維流速的測量，或成本較高價格昂貴，或?qū)ぷ鳝h(huán)
境有特殊要求；對于較小流速的測量，目前還缺少較好的辦法，現(xiàn)有的兩種主要方式是通
過投放電解質(zhì)后觀察水流中電解質(zhì)低阻帶來獲得流速的大小和方向的充電法、通過投放放
射性同位素后測量放射性探測器的計數(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，精度不高的問題，對各維間流速分量大小存在較大差異的三維流速測
量更是難以勝任。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的局限，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的三維流速傳感器。 本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明三維流速傳感器，其結(jié)構(gòu)特點是具有 —水平力測量單元，是以同軸且間隔的外環(huán)體(1)和內(nèi)環(huán)體(2)構(gòu)成水平力傳力機構(gòu)，所述外環(huán)體(1)與內(nèi)環(huán)體(2)之間是以成軸對稱設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)為垂直力傳力機構(gòu)，所述中心平板(4)與所述內(nèi)環(huán)體(2)為同軸、間隙設置；所述中心平板(4)的裝配形式為 在其兩側(cè)以軸對稱設置耳梁(5)，以所述耳梁(5)插入在所述內(nèi)環(huán)體(2)對應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)，沿徑向固定設置支撐桿(6)，所述支撐桿(6)依次穿過對應位置上的內(nèi)環(huán)體1的側(cè)孔以及對應位置上的外環(huán)體2的側(cè)孔伸出，以伸出的支撐桿(6)外接力測量傳感器；
3
—沿徑向設置的一端與內(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)穿過對應位置上的外環(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)特點也在于所述設置在外環(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，可實現(xiàn)三維流速的測量。 3、本發(fā)明水平力測量單元和垂直力測量單元相互分開，若通過力放大機構(gòu)與位移或力測量系統(tǒng)相接，便可以滿足維間流速相差較大的流速測量，保證小流速的高精度的測 4、本發(fā)明各維方向上的流速測量，均無運動部件，無磨損，工作可靠，使用壽命較長。 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，流速測量的計算方法簡單。 6、本發(fā)明可以通過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稱設置，相鄰垂直、相對共面，通過輔助梁與外環(huán)體連接，中心平板和內(nèi)環(huán)體之間直接通過耳梁連接的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1的過軸線且經(jīng)過耳梁的縱向剖視圖。 圖3為本發(fā)明的中心平板通過支撐桿外接垂直力測量傳感器的結(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稱設置，且相鄰垂直，相對共面，通過中間體連接的結(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稱設置，且相鄰垂直，相對平行，通過中間體連接的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中標號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。 以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
具體實施方法 如圖1、圖2、圖3、圖4、5和圖6，本實施例具有由外環(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)成水平力傳力機構(gòu)，兩組彈 性梁3成軸對稱設置在外環(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。
本實施例中還具有由中心平板4構(gòu)成的傳力機構(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 軸對稱設置耳梁(5)，以耳梁5插入在所述內(nèi)環(huán)體2對應位置上的耳孔中，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)，沿徑向固定設置支撐桿6，支撐桿6依次穿過 對應位置上的內(nèi)環(huán)體的側(cè)孔以及對應位置上的外環(huán)體的側(cè)孔伸出，以伸出的支撐桿6外接 力測量傳感器，獲得垂直力信息。 本實施例中，設置一沿徑向設置的一端與內(nèi)環(huán)體2連接的固定支撐架7，固定支撐 架7為實心體或空心結(jié)構(gòu)。 如圖4所示，當中心平板與支撐桿6連接時，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穿過對應位置上的外環(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便會受到外環(huán)體1或中環(huán)體9傳遞來的水平方向上的繞流阻力，各彈性梁3在彎矩作用 下，會產(chǎn)生相應的應變和變形(拉壓應變和變形可以忽略)，由于兩組彈性梁3互相垂直布 置，且通過抗彎能力較小的輔助梁8或通過中環(huán)體9相連，所以兩組彈性梁3在測量水平面 中的兩個互相垂直方向上的力時，可以保證耦合較小。利用兩組彈性梁3的彎曲應變或位 移，再根據(jù)流體繞流阻力的理論、模擬數(shù)值計算和實驗標定就能求得垂直于外環(huán)體1軸線 的平面方向上的兩個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，或通過支撐桿6傳遞給外部的力測量傳感器，根據(jù)耳 梁5在彎矩作用下產(chǎn)生的應變或位移，或力測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)值計算 和實驗標定，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，相互之間沒有力的傳遞，沒有力的耦 合關(guān)系，中心平板4可以通過支撐桿6與外部力測量傳感器連接，便于更好地提高垂直方向 力的測量精度，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；彈性梁應變量的獲得可以采用通常的應變片，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)成水平力傳力機構(gòu)，所述外環(huán)體(1)與內(nèi)環(huán)體(2)之間是以成軸對稱設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)為垂直力傳力機構(gòu)，所述中心平板(4)與所述內(nèi)環(huán)體(2)為同軸、間隙設置；所述中心平板(4)的裝配形式為在其兩側(cè)以軸對稱設置耳梁(5)，以所述耳梁(5)插入在所述內(nèi)環(huán)體(2)對應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)，沿徑向固定設置支撐桿(6)，所述支撐桿(6)依次穿過對應位置上的內(nèi)環(huán)體1的側(cè)孔以及對應位置上的外環(huán)體2的側(cè)孔伸出，以伸出的支撐桿(6)外接力測量傳感器；一沿徑向設置的一端與內(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)穿過對應位置上的外環(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)明公開了一種三維流速傳感器，其特征是具有一水平力測量單元，是以同軸且間隔的外環(huán)體和內(nèi)環(huán)體構(gòu)成水平力傳力機構(gòu)，外環(huán)體與內(nèi)環(huán)體之間是以成軸對稱設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構(gòu)，中心平板與內(nèi)環(huán)體為同軸、間隙設置；一沿徑向設置的固定支撐架。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，可實現(xiàn)三維流速的測量。
文檔編號G01P5/02GK101776696SQ20101011145
公開日2010年7月14日 申請日期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, 葛運建, 陸益民, 陳恩偉 申請人:合肥工業(yè)大學