基于压电片的风速信号采集方法及装置与流程

本发明涉及风速测量
技术领域：
，特别是一种基于压电片的风速信号采集方法及装置。
背景技术：
：压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，是一类对机、电、声、光、热敏感的电子材料，广泛应用于工业部门和高科技领域。其中最为广泛应用的是PZT和PVDF，PZT的频率常数要大于PVDF，所以可以根据环境风速的大小来选择适应的压电材料。聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种高性能、低成本的高分子压电材料，具有质量轻(膜片厚度可达微米级)、输出响应速度快(可达ns级)、灵敏度高(在0～20GPa范围内均能实现稳定输出)、安装方便(可直接贴附在被测物体表面)等突出优点。由于PVDF薄膜能够方便、快捷、精确地测量弹性体的形变，因而在声学及振动测量方面具有较高的应用价值，其应用范围涉及工程、科研及医疗等领域。冲击射流非稳定性是在剪切层非稳定性、涡脱落以及声反馈等因素的共同作用下产生的，它与射流速度、喷管出口与尖楔之间的距离等因素有关。这类现象存在于大量不同的流体机构中，如边棱音、环音、孔音、凹腔流动等等。由于涉及湍流、漩涡流动、声辐射等复杂现象，目前针对该类非稳定流动现象的内在机理研究仍然是流体力学学科的前沿课题,但多年的研究使人们已经能够对这类现象进行定性地、半经验地分析。Brackenridge等人对水射流簧片哨的研究发现，射流与弹性簧片的耦合振动表现为振动频率对簧片固有频率的捕获特性，而这种耦合振动要比单纯的射流振动有更高的强度。目前，常见的风速测量主要有有以下几种：1、如国内专利申请号CN104297517A，一种基于PVDF传感器的风速测量仪，其应用到高压电缆上的风速测量，对分析电缆的受力、风速等有一定的依据，但使用局限性太大。2、国内专利申请号CN201310176418.3，采用螺旋桨风杯式风速传感器，其结构特点是在环境中适用性强、操作简单，但有转动部件易磨损，这种转动惯性会降低响应风速。3、国内专利申请号CN201310107907.3，采用热敏电阻式风速传感器，其结构特点是结构简单可靠，能测较低风速，但热敏电阻在使用过程中不能保证工作状态一致，会对精度造成一定的影响。4、目前经常使用的热线风速传感器，由于热线的直径通常是μm级，这就造成加工难度大，且在使用过程中极易损坏。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种精度高、结构简单、成本低的基于压电材料的风速信号采集方法及装置。实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于压电材料的风速信号采集方法，包括压电片、夹片、支架和引线：首先，所述压电片带有引线的一端通过夹片固定于支架，另一端为自由端；压电片的自由端与风源相向，且压电片所在平面平行于风向；其次，所述压电片的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片产生的电压通过引线输出至示波器进行显示；最后，根据示波器显示的电压与对应风速之间的关系，进行拟合得到风速测量函数。进一步地，所述压电片根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。进一步地，所述支架与夹片通过螺栓螺母连接。进一步地，所述根据不同的风速得到不同的电压，其中风速通过皮托管测量得到。一种基于压电材料的风速信号采集装置，包括压电片、夹片、支架和引线，所述压电片带有引线的一端通过夹片固定于支架，另一端为自由端；压电片的自由端与风源相向，且压电片所在平面平行于风向；所述压电片的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片产生的电压通过引线输出至示波器进行显示。进一步地，所述压电片根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。进一步地，所述支架与夹片通过螺栓螺母连接。本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用压电材料作为采集风速的传感器，先根据不同的风速范围，选择不同的压电材料，再在每种范围内制成不同尺寸的压电材料，由于尺寸不同对应不同的谐振风速范围，使之在较小范围内达到精确测量的目的；(2)利用压电材料作为传感器，无叶轮、转轴等活动零件，结构简单、操作简便、易于实现；(3)装置采用悬臂梁式布局且完全沉浸在流场之中，可使临界风速降低，压电元件实现较为规律的振动，电压信号输出较为稳定。附图说明图1是本发明基于压电材料的风速信号采集装置的结构示意图。图2是本发明基于压电材料的风速信号采集装置的实施布置示意图。图3是本发明实施实例风速13m/s时输出电压变化波形图。图4是本发明实施实例风速16m/s时输出电压变化波形图。图5是本发明实施实例有效电压值变化规律图。具体实施方式为了进一步阐明本发明，以下结合附图和具体实施例进行详细说明。本发明提出的基于压电片的风速信号采集方法，是利用风致振动机理，包括压电片、专用夹具等。当来流遇到压电片的自由端，即由流体剪切层撞击到下游物体时，通过流体诱发压电材料谐振。谐振时由于压电效应压电片内部会产生极化现象，同时在压电元件的两个相对表面产生交替变化的正负相反的电荷，为此不同的风速产生电压不同，通过测量压电片的电压便可得到对应的风速。这种利用利用压电材料对射流风速采集，无转轴、叶轮、谐振腔等活动部件，具有结构简单、成本低，在无人机、以及便携式器件都具有可能的应用前景。如图1所示是本发明基于压电材料的风速信号采集方法，包括压电片1、夹片2、支架3和引线4：首先，所述压电片1带有引线4的一端通过夹片2固定于支架3，另一端为自由端；压电片1的自由端与风源相向，且压电片1所在平面平行于风向；其次，所述压电片1的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片1产生的电压通过引线4输出至示波器进行显示；最后，根据示波器显示的电压与对应风速之间的关系，进行拟合得到风速测量函数。进一步地，所述压电片1根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。进一步地，所述支架3与夹片2通过螺栓螺母连接。进一步地，所述根据不同的风速得到不同的电压，其中风速通过皮托管测量得到。一种基于压电材料的风速信号采集装置，包括压电片1、夹片2、支架3和引线4，所述压电片1带有引线4的一端通过夹片2固定于支架3，另一端为自由端；压电片1的自由端与风源相向，且压电片1所在平面平行于风向；所述压电片1的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片1产生的电压通过引线4输出至示波器进行显示。进一步地，所述压电片1根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。进一步地，所述支架3与夹片2通过螺栓螺母连接。本发明是利用冲击射流的非稳定性的振动机理，当射流遇到PVDF压电薄膜传感器，由流体力学可知凡是有固体与流体的相对运动就会搓出涡，正是这种涡导致压电片振动。对于不同尺寸的压电材料，需要的谐振风速范围的大小不同，且在谐振时，风速和电压值呈现较为规律的对应关系。实施例1在本实施例中，如图2所示，包括压电片1、夹片2、支架3和引线4，所述压电片1带有引线4的一端通过夹片2固定于支架3，另一端为自由端；压电片1的自由端与风源相向，且压电片1所在平面平行于风向；所述压电片1的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片1产生的电压通过引线4输出至示波器进行显示。整个装置通过支架3固定于底板6上面，入风口处接有模拟自然风的风源5，风速可控范围大小为0～20m/s。风源启动流体剪切层(射流或混合层)撞击到下游PVDF压电片时，会诱导PVDF压电片振动，在此振动的激励下由于压电效应，PVDF压电片就会有电压输出。1、所述的压电片1采用PVDF压电片，是由MEAS公司生产的，该压电片1特点是频率范围宽、弹性柔度高、高电压输出(当压力输入相同时，输出电压是压电陶瓷的10倍)。压电片1一端被夹片2固定连接，另一端沉浸在实验室的小型风洞中，可调节风速范围为0～20m/s，用螺栓螺母固定于底板6上；2、支架3可根据风洞的大小来设计高低，使之完全沉浸在射流中央，并与来流较好耦合；压电片1高度与圆形气源出口中心保持一致。3、支架3和夹片2通过焊接连接，上下夹片通过螺栓螺母连接，使之夹住压电片1；压电片1是流固耦合的核心元件，采用悬臂梁式，由于应用于自然风风速，较宜采用柔性压电材料如PVDF。如图2所示，是具体实施中的实验示意图，具体的参数可见表1。如图3所示是当风速为13m/s时，PVDF压电片距离风源出口10cm时，电压波形图实现规律输出。同样图4是风速为16m/s输出的电压波形图。(需要说明的是，由于量程选择，显示的电压输出值需乘10。)表1实验装置一组设计参数表2压电片的一组参数压电元件长度(mm)宽度(mm)厚度(mm)电容(nF)供应商LDT1-28K41160.201.38MEAS在具体施实例中，可根据具体的应用要求采用相应的尺寸。如表1～2列出了整个实验装置一组设计参数，底板6、支架3和夹片2采用不锈钢材料，支架3和夹片2焊接，两夹片通过螺栓连接，引线4外连接负载为2.41MΩ，通过功率放大器显示电压的有效值，并直接读取，并采用Origin拟合函数得到如图5所示，得到函数公式为：其中A＝2612.354、W＝28.56419、vc＝18.75208、u0＝-64.5875都为常量，U为电压，V为风速。由此可以看出，当风速达到使压电片发生谐振时，电压和风速之间的规律性较为明显。风源采用300W的无级变速鼓风机，风速范围在0～20m/s，可以满足实验风速需求，也可用其他器件代替。以上内容是结合具体的实施方式进行的进一步详细说明，并不能认定本发明具体实施只局限于这些说明。在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干的推演和替换，都视为属于本发明的保护范围。当前第1页1 2 3