专利名称：力传感器及其风速测量方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器及其测量方法，尤其涉及一种力传感器及其风速 测量方法。
背景技术：
在气象、环保、工农业生产、建筑、军事等诸多领域，空气流速都是一 项重要的检测参数。特别是近年来发展较快的自动气象站对风速测量仪器提 出了更高的要求，研制能适应恶劣气象条件，实现多点多相、瞬时精确的风 速测量仪器更具有特别重要的意义。
目前，测量风速所使用的仪器设备品种繁多，通常基于以下几种原理 动压式、机械式、热式、超声波式、数字式等。皮托管风速仪是典型的动压 式风速测量仪，这种设备结构简单，对环境的适应性较好，精确度和分辨率 都比较高，但不适合用于低速风测量；机械式风速计结构简单，利用转叶探 头可同时感知风速和风向，但制造、安装要求较高，且在长期使用过程中不 可避免的存在磨损和老化问题，影响测量精度，也不适合在恶劣的气候条件 下工作；热差式的风速计，利用风速影响加热敏感元件的冷却速度来测量风 速，由于易集成，是目前风速测量领域热门研究的一种风速方法，目前该类 仪器存在量程较小，还不能用于测量高速风，同时受湿度影响很大，也不能 大面积实用化；近年来基于风速影响超声波的传播速度，提出了超声波风速
4测量仪，但声速受环境因素影响非常明显，大气湿度、温度以及其中所含的
杂质浓度等因素都会对超声波传感器的测量精度有所影响。
目前的风速测量仪受结构、原理、量程等因素制约，存在通用性较差的 问题，特别是不适合用于野外长期无人值守的自动气象站。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提出一种力传感器及其风速测 量方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明力传感器，其特征在于包括受风体、弹性梁、第一应变片组和第 二应变片组，其中弹性梁固定于受风体的内部，第一应变片组设置于弹性梁 的上部前侧，第二应变片组设置于弹性梁的下部后侧，第一应变片组与第二 应变片组结构相同，每个应变片组包括四个应变片，每个应变片构成惠斯通 全桥电路的一个桥臂，所述惠斯通全桥电路的输入端接电源。 所述的力传感器的风速测量方法，其特征在于包括如下步骤 第一步采用力传感器检测实际风速得到电压变化信号Af/。； 第二步采用第一步所述的电压变化信号Af/。计算得到二维力
其中At/。？ At^分别为第一步所述的电压变化信号AC/。在x轴和y轴的分 量，五为材料弹性模量，f^和f^分别为传感器截面在x轴和y轴的弯曲截 面系数，t/为惠斯通全桥电路的电源电压，^和Z^分别为第一应变片组和 第二应变片组的力臂，〖为应变灵敏系数，K和K分别为力传感器受到的 风载荷F在x轴和y轴的分力即二维力；第三步采用第二步所述的二维力计算得到第一步所述实际风速v在x
传感器的横截面积，^和、分别为实际风速v在x轴和y轴的分量；
第四步采用第三步所述的实际风速在x轴和y轴的分量^和、得到实
本发明的有益效果本发明基于风载荷原理，它由两个正交的弹性应变 梁组成，采用应变片测量弹性梁的风载荷，达到风速、风向测量的目的。与 普遍使用的机械式风速仪相比，它没有运动部件，具有响应快、结构简单可 靠，环境适用性强的特点，是一种极有发展前景的风速测量仪。
本发明原理简单，结构新颖，该力传感器结构特殊，其自身具有有效敏 感单向力的特性，加之输出桥路完全独立，使该2维传感器的维间耦合度尽
可能的降低，基本解决了困扰多维力传感器精度提高的维间耦合问题。将该 多维力传感器运用与风速测量领域是一种新的尝试，通过进一步的实验将测 得的环境参数(如气压戶，绝对湿度e，温度f等)用以对空气重度进行标 定，便能有效的克服了传统风速测量方法受外界环境因素影响较大的问题， 而且结构简单，能实现多相精确测量，作为该新型多维力传感器的工程应用 具有很广阔的开发价值。
轴和y轴的分量:
v = 、/163(XP = 、/l630At/OT『v￡/^7L,<S
x V x / >v / ^
,其中s为力
v =、/l630F= 、 1630At/『五/咒WvS1
少^/ J V 炒j/ S
图1 (a)是本发明力传感器X方向截面图,
6(b)是本发明力传感器Y方向截面图； 图2是本发明力传感器应变梁截面； 图3是本发明惠斯通全桥电路图。
具体实施例方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明
如图l所示，1为一个圆形截面的受风体，由它将风压转换成二维力传 感器的载荷。2为弹性梁，它实质上是两个正交的弹性应变梁的组合，弹性 梁分别开上下两个槽丄》，用以增加传感器的灵敏度。弹性梁的两侧分别贴 一组应变片3、 4,构成惠斯通差动全桥测量电路，可以分别测量弹性梁的J、 /两个方向的应变，从而测量出弹性梁的风载荷尸。其中，上方传感器^用 于测量Z方向作用力,x，下方传感器A用于测量f方向的作用力^。
如图2所示，传感器应变梁仅有一对侧面的表面贴有应变片，用于感知 特定方向的梁体变形(如图中应变片A感知的是X方向的应变)，加之梁体 中空，加大了被感知方向(如图中所示X方向)的梁体变形，大大降低了其 他方向(如图中Y方向)的力对应变片的影响，几乎可以忽略不计。
测量步骤如下
1、受风体受到风载荷,作用，分解后得到图1所示的J， f方向上的分 力A，尸7。才艮据传感器的位置确定对应的应变片A "所受的力矩#/， I
2、当传感器横截面上同时作用有两个方向上的弯矩作用时，由于材料 服从胡克定律且变形很小，可利用叠加原理得到横截面上最危险处正应力为(2)
其中Wx和W/为传感器截面的弯曲截面系iL 忽略维间干护L,可以将(2)式改成
(3)
根据图2，易得
2(W力/(12办力)=6V48 (4) 3、由胡克定律可知应变与应力的关系为f-a/丑，进一步得到
(5)
|^= /五=尸,丄,/^￡
E为与材料性质有关的弹性常数。
4、利用惠斯通全桥方式，即在电桥的四个桥臂位置都接入应变片电阻 (如图3， A、 A、 v 3、 A为桥臂电阻)测量应变片所受应力情况，接入电桥 的相对臂应变计受拉(AA/A， AA/A),相邻臂应变计受压(-AA/A，-△ A/幻，在全等臂条件下U产A^ 产A)得到
l + 0.5(AWAi 2/i 2 + M3/i 3-M4/i 4) —
其中AA/ 产r。，即
5、通过对电压变化的测量获得应变片的应变，将(6)代入(7)得:
'尸=At/『五/^f/丄， 尸=At/『五/《t/i^
(6)
(7)
(8)
6、由于风作用于特定截面会产生压强(w,牛每平方米)，称其为风压,
风压与风速的关系
8^丄v2 (9)
其中，F为被测风速(巡/y), y为空气重度(^/乂)，它与空气密度/ 成 正比，y = / #, g为重力加速度(9. 8/z //)。
空气重度y是气压p(毫米水4M主高)，绝对湿度e(毫米水银柱高)，温 度f (°C )的函数，其计算公式为
;k = 1.293(P - 0.378)/760(1 + 0.003870 (10)
在气压为101. 325a尸a、常温15。c和绝对干燥的情况下，y =0.012018 irA//zA在绵度45°处，海平面上的重力加速度为萨9. 8/ //,代入(9 )式
3曰
付
^ = "2/2g = 0.012018v2/2x9.8 v2/l63(W/m2 (11) 而气压户，绝对湿度e,温度f均与海拔有关，在实际的风速测量过程中， 可以通过实验将环境参数代入(2)式，用以y对空气重度进行修正。 又因为尸=0^, 5为截面面积，所以
vx/y 二^1630毕 (12) 7、利用步骤E中所述的多维力传感器结构及惠斯通电桥部分就能测量 出二维力(尸x， F力，将其带入(12)式就得到风速(:
v = Jl630AC7酽五/i:C/丄^ 8、最后一艮据平行四边形法则进行和成得到:
(13)
v = 、/v +v
,—1,
(14)
tan" = tan— (v力义) 由此得到所需要测得的风速大小和方向,9、再对测力传感器的受力面积进^f亍估算。本发明所述多维力传感器最 大量程为200&即0. 21^，为2#。取最大量程为2Y对应风速成30顶/s，所 需面积为^,/w=2/(900 x 1000/1630) =0. 0036/z/=36c/z/，即面积为6x6厘 米。当风速为l/z A时，产生的力为A wi^O. 0036 x 1000/1630=0. 002iV，即 相当于0. 0002^=0. 2《,为1/100的精度。
权利要求
1、一种力传感器，其特征在于包括受风体(1)、弹性梁(2)、第一应变片组(3)和第二应变片组(4)，其中弹性梁(2)固定于受风体(1)的内部，第一应变片组(3)设置于弹性梁(2)的上部前侧，第二应变片组(4)设置于弹性梁(2)的下部后侧，第一应变片组(3)与第二应变片组(4)结构相同，每个应变片组包括四个应变片，每个应变片构成惠斯通全桥电路的一个桥臂，所述惠斯通全桥电路的输入端接电源。
2、 一种基于权利要求1所述的力传感器的风速测量方法，其特征在于 包括如下步骤第一步采用力传感器检测实际风速得到电压变化信号At/。；第二步:采用第一步所述的电压变化信号At/。计算得到二维力F =At/『五/纽丄，Y 。y y / "其中AC/ot、 At^分别为第一步所述的电压变化信号At/。在x轴和y轴的分 量，五为材料弹性才莫量，^和^分别为传感器截面在x轴和y轴的弯曲截 面系数，t/为惠斯通全桥电路的电源电压，^和丄s分别为第一应变片组(3) 和第二应变片组(4)的力臂，〖为应变灵敏系数，《和K分别为力传感器 受到的风载荷F在x轴和y轴的分力即二维力；第三步采用第二步所述的二维力计算得到第一步所述实际风速v在xt , |v = 、/163(XF = 、/1630At/义五/勝ZvS ",, 轴和y轴的分量'Vx V ot y Z ",其中S为力v = 、/l630At/ K￡/〖C/￡fl(S、少A/ >V A/ 炒j/ ￡传感器的横截面积，！^和、分别为实际风速v在x轴和y轴的分量；第四步采用第三步所述的实际风速在x轴和y轴的分量\和、得到实际风速V以及实际风速角CTtan" = tan—乂、/Vj)
全文摘要
本发明公布了一种力传感器及其风速测量方法。本发明所述力传感器包括受风体、弹性梁、第一应变片组和第二应变片组，本发明所述测量方法采用应变片测量弹性梁的风载荷，测量得到风速、风向。本发明没有运动部件，具有响应快、结构简单可靠，环境适用性强。
文档编号G01P13/02GK101509816SQ200910029970
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者宋爱国, 崔建伟, 许茜茜 申请人:东南大学