一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法
【专利摘要】本发明属于检测技术与传感器【技术领域】，具体涉及一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法。本发明根据矢量的分解与合成机理，通过测量不同于被测目标矢量的三维分解量，换算出被测方向的三维力学量或失量分量来达到三维量测的目的。依此设计的特殊锥体三维敏感单元实现了三维（纵向、垂向、横向三个方向）力学量测。通过集成本发明的多个椎体结构，采用微纳米技术，可以制备人工力学敏感“皮肤”，也可以用于流体动力学的三维紊动流速特性量测。本发明是三维力学或三维紊动流速量测的一种新手段。
【专利说明】一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于检测技术与传感器【技术领域】，具体涉及一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法。
【背景技术】
[0002]三维力学或流速量测受传感器结构、方法和体积的局限，一直是制约传感器智能化的瓶颈。
[0003]对于三维力学或流速测量的研究深度，在很大程度上取决于测试技术或传感器发展的水平，特别是微型化和高灵敏度、高可靠性是该技术的三个难点。其中，微型化的关键是如何实现三维立体检测并获得相应的三维力学特征值。
[0004]目前，一维和二维传感器已经有较多的种类，如:各种压阻式压力传感器、悬臂梁应力传感器。通过将两个方向性优良的力敏梁以十字交叉形式，构成二维的力学测量模型已有报道和应用。但是，同步三维力学立体矢量方法的测量没有报道，然而，三维测量技术对于相关领域的技术、装备的发展都有着十分重要的科学意义。例如:机器鱼运动时受水体流场的影响很大，为了正确地输出前进驱动动力和舵机策略，需要感知水流的方向及动力与漩涡的状态，但是，由于鱼的外形和运动体系的约束，很难直接感知上述信息，由此可以通过检测不同向量或矢量的参数，获得所关注的参数。又比如，人工智能机器人的脚，需要了解接触地面的状态，决策驱动力的分配和整体的平衡，也可以通过本发明的机理实现矢量化测量。在测量两相流内的三维紊动流速时，要求在对原流态影响最小的背景下，感知三维的紊动流速，获得准确的紊流内部结构和动力特性。
【发明内容】
[0005]本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；根据矢量的分解与合成机理，设计特殊锥体三维敏感单元，通过测量不同于被测目标矢量的三维分解量，实现了三维(纵向、垂向、横向三个方向)力学量测。通过集成本发明的多个椎体结构，采用微纳米技术，可以制备人工力学敏感“皮肤”，也可以在任意流体中实现对三维紊动流速特性的量测。本发明对于各种结构体的三维力学测量也具有重大意义，是一种三维力学或三维紊动流速量测的新手段。
[0006]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0007]—种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，包括:
[0008]一个锥体三维敏感单元:通过一个传感器激励源给锥体三维敏感单元施加一恒流源，用于将在水流检测到的三维受力感应转换为电压输出信号，该锥体三维敏感单元为一个锥体状，包括:受力小球、以及三个用于支撑受力小球的三个支撑杆，三个支撑杆的一端汇集于锥体的顶部，汇集的中心作为将来传感器受力或受水流冲击的受力小球的球心；三个支撑杆的另一端分别固定在与支撑杆杆体垂直安置的对应量测应力的硅力敏梁的一端，三个硅力敏梁的另一端则分别固支在中心支撑固定座上；所述三个硅力敏梁上均设有四个用于感受水流压力的硅压阻片，所述四个硅压阻片组成一个惠斯通全桥测量电路，恒流源给该惠斯通全桥测量电路施加一个恒流电流，输出为变化的电压信号；
[0009]一个信号调理单元:包括依次连接的三路差分微弱信号仪器放大电路以及三路滤波电路，用于将锥体三维敏感单元输出的变化的电压信号进行放大和滤波；
[0010]一个数据采集与信号处理单元:采用DSP作为微处理器，其内部集成了 A\D转换模块，用于滤波后信号的数据采集与转换，转换后的电压信号经过DSP的分析与处理，可计算得出水流的实际流速，即纵向流速U、垂向流速V、横向流速W ;
[0011]一个计算机及信息处理系统:通过RS485或CAN总线、以及W1-FI模块与数据采集与信号处理单元连接，用于对进行数据采集、分析、计算和处理；
[0012]一个固定组件:用于固定锥体三维敏感单元并用于水下检测；
[0013]一个电源单元:给整个系统供电。
[0014]在上述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为Θ，三个硅力敏梁对称分布，相互之间的夹角为120°，并且分别与支撑杆的夹角为90°。
[0015]在上述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，所述固定组件包括一个L形且内部为中空的管体，所述锥体三维敏感单元固定在管体底部，管体底部一端开口，且开口端外壁为 楔形；嘴套一端外壁与管体底部内壁相适应，且插入管体底部开口端并通过一个设置在嘴套内壁套环将嘴套卡在管体底部开口处；嘴套另一端管壁倾斜设置以至开口逐渐缩小；锥体三维敏感单元的中心支撑固定座固定在套环上，受力小球伸出至嘴套另一端开口外，所述嘴套另一端开口的口径大于受力小球的直径。
[0016]在上述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，所述锥体三维敏感单元中每个硅力敏梁中的四个硅压阻片的放置方法是:硅力敏梁以N型硅作为衬底，同时切割成为检测硅梁所需要的形状，作为应力、应变信号敏感检测元件；在此N型硅梁上，扩散P型杂质，形成电阻条，并根据硅梁在传感器受力环境下正负应力区域，布置成惠斯通全桥测量电路，电路中％、R2> R3> R4分别对应硅压阻片1、2、3、4的电阻值；因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以硅压阻片贴在距固定端较近的表面，即硅压阻片R1和R3平行于硅力敏梁放置于负应变区，R2和R4垂直与硅力敏梁放置于正应变区；当硅压阻电桥所在的悬臂硅梁末端受力时，硅压阻片R2、R4受平行硅力敏梁的拉力产生正应变，电阻增大；硅压阻片RpR3受到垂直于硅力敏梁两侧向内挤压的作用力而产生负应力，电阻减小。
[0017]在上述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，高速数据采集与处理系统还包括同时与微处理器DSP连接的姿态检测单元以及环境监测单元；所述姿态检测单元采用陀螺仪，用于传感器的安置姿态和自身振动检测；所述环境监测单元包括液体温度传感器、大气温度传感器、以及设置在管体的壳体外壁的系统自身温度传感器，该环境监测单元用于检测传感器所在被测流体的环境。
[0018]—种基于力学矢量分解与合成机理的三维传感量测方法，其特征在于，基于以下定义:三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为Θ，水流作用于受力小球的力7，分解到支撑杆1、2、3上的力分别为f\、f2、f3，其方向沿支撑杆1、2、3的方向；通过失量的分解与合成，可得/在X、y、Z方向的分量；P在X方向的分量:fx = (fi+f^coseo。-f3cos60° ) sin θ[0019]/在 y 方向的分量:fy = (f2-f3) sin Θ cos60°
[0020]/在 z 方向的分量:fz = (f1+f2+f3) cos θ
[0021]由于汁算可得瞬时流速的大小为:
【权利要求】
1.一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，包括: 一个椎体三维敏感单元:通过一个传感器激励源给椎体三维敏感单元施加一恒流源，用于将在水流检测到的三维受力感应转换为电压输出信号，该椎体三维敏感单元为一个椎体状，包括:受力小球、以及三个用于支撑受力小球的三个支撑杆，三个支撑杆的一端汇集于锥体的顶部，汇集的中心作为将来传感器受力或受水流冲击的受力小球的球心；三个支撑杆的另一端分别固定在与支撑杆杆体垂直安置的对应量测应力的硅力敏梁的一端，三个硅力敏梁的另一端则分别固支在中心支撑固定座上；所述三个硅力敏梁上均设有四个用于感受水流压力的硅压阻片，所述四个硅压阻片组成一个惠斯通全桥测量电路，恒流源给该惠斯通全桥测量电路施加一个恒流电流，输出为变化的电压信号； 一个信号调理单元:包括依次连接的三路差分微弱信号仪器放大电路以及三路滤波电路，用于将椎体三维敏感单元输出的变化的电压信号进行放大和滤波； 一个数据采集与信号处理单元:采用DSP作为微处理器，其内部集成了 A\D转换模块，用于滤波后信号的数据采集与转换，转换后的电压信号经过DSP的分析与处理，可计算得出水流的实际流速，即纵向流速U、垂向流速V、横向流速W ; 一个计算机及信息处理系统:通过RS485或CAN总线、以及W1-FI模块与数据采集与信号处理单元连接，用 于对进行数据采集、分析、计算和处理； 一个固定组件:用于固定椎体三维敏感单元并用于水下检测； 一个电源单元:给整个系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为Θ，三个硅力敏梁对称分布，相互之间的夹角为120°，并且分别与支撑杆的夹角为90°。
3.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，所述固定组件包括一个L形且内部为中空的管体，所述椎体三维敏感单元固定在管体底部，管体底部一端开口，且开口端外壁为楔形；嘴套一端外壁与管体底部内壁相适应，且插入管体底部开口端并通过一个设置在嘴套内壁套环将嘴套卡在管体底部开口处；嘴套另一端管壁倾斜设置以至开口逐渐缩小；椎体三维敏感单元的中心支撑固定座固定在套环上，受力小球伸出至嘴套另一端开口外，所述嘴套另一端开口的口径大于受力小球的直径。
4.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，所述椎体三维敏感单元中每个硅力敏梁中的四个硅压阻片的放置方法是:硅力敏梁以N型硅作为衬底，同时切割成为检测硅梁所需要的形状，作为应力、应变信号敏感检测元件；在此N型硅梁上，扩散P型杂质，形成电阻条，并根据硅梁在传感器受力环境下正负应力区域，布置成惠斯通全桥测量电路，电路中凡、R2、R3、R4分别对应硅压阻片1、2、3、4的电阻值；因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以硅压阻片贴在距固定端较近的表面，即硅压阻片R1和R3平行于硅力敏梁放置于负应变区，R2和R4垂直与硅力敏梁放置于正应变区；当硅压阻电桥所在的悬臂硅梁末端受力时，硅压阻片R2、R4受平行硅力敏梁的拉力产生正应变，电阻增大；硅压阻片RpR3受到垂直于硅力敏梁两侧向内挤压的作用力而产生负应力，电阻减小。
5.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理三维传感量测系统，其特征在于，高速数据采集与处理系统还包括同时与微处理器DSP连接的姿态检测单元以及环境监测单元；所述姿态检测单元采用陀螺仪，用于传感器的安置姿态和自身振动检测；所述环境监测单元包括液体温度传感器、大气温度传感器、以及设置在管体的壳体外壁的系统自身温度传感器，该环境监测单元用于检测传感器所在被测流体的环境。
6.一种利用权利要求1所述的基于力学矢量分解与合成机理的三维传感量测方法，其特征在于，基于以下定义:三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为Θ，水流作用于受力小球的力I分解到支撑杆1、2、3上的力分别为f\、f2、f3，其方向沿支撑杆1、2、3的方向；通过失量的分解与合成，可得P在x、y、z方向的分量； / 在 X 方向的分量:fx= (f^+f^cosGO。-f3cos60。) sin θ 7在 y 方向的分量:fy = (f2-f3) sin Θ cos60°
,在 ζ 方向的分量:fz = (f1+f2+f3) cos θ 由于/" Oc| I; |2，计算可得瞬时流速的大小为:
7.根据权利要求6所述的一种基于力学矢量分解与合成机理的三维传感量测方法,其特征在于，所述步骤2中，通过变化的电压信号计算得到支撑杆1、2、3上的力f\、f2、f3的具体方法是:定义四个用于感受水流压力的硅压阻片对应的电阻值分别是=RpHR4，恒流源的电流值是Ia，F所需要获得的硅压阻片受到外力，根据惠斯通电桥计算方法可得出输出电压U。；
【文档编号】G01L9/06GK103983397SQ201410240248
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】郑贵林, 专祥涛, 张丽 申请人:武汉大学