一种垂吊型三维风速风向传感器结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种垂吊型三维风速风向传感器结构，采用中心感风装置，带动底部弹性结构随风速和风向产生相应应变，使得与该弹性结构相贴的应力传感器发生形变而产生输出。本发明提供的垂吊型三维风速风向传感器结构原理简单、可兼测三维风速风向、安装方便、成本低，温度漂移小，适合便携和移动测量需要。
【专利说明】一种垂吊型三维风速风向传感器结构【技术领域】
[0001]本发明涉及风速风向检测装置，尤其涉及一种垂吊型三维风速风向传感器结构。【背景技术】
[0002]风速、风向是反应气象情况非常重要的参数，对环境监测、空气调节和工农业的生产有重要影响，因此快速准确测量出风速和风向具有重要的实际意义。传统的风杯和风向标是目前仍广泛使用的检测器件，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积大，价格昂贵，需要经常维护等缺点。典型超声风速传感器发射和探测接收头位置固定，因此相对结构也较大。基于MEMS加工技术的微型热流速传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来热风速传感器研究的热点。但是，由于硅衬底的高热导率，这类传感器的功耗较大，灵敏度较低。采用背面腐蚀或者正面腐蚀的方法形成绝热薄膜，可以提高灵敏度，但是结构易损坏，不利于后道工艺和封装。
【发明内容】
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种垂吊型三维风速风向传感器结构，采用中心对风敏感的结构，产生变形带动底部中心对称放置的弹性敏感结构受力，以检测风速风向，结构小巧简单、灵敏度高、不易磨损且功耗低。
[0004]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0005]一种垂吊型三维风速风向传感器结构，包括底板、两个固定基座结构、受风可产生位移的感风结构和弹性绳索；
[0006]所述固定基座结构包括固定基座，在固定基座的表面覆盖有弹性薄膜片，在固定基座和弹性薄膜片的中心相应位置开设有圆孔，在弹性薄膜片可变形位置处的根部设置有一个应力传感器，所述两个固定基 座结构相同、但面面相对且竖直对准，两个固定基座结构的弹性薄膜片位置相对；记位于平面下方的固定基座为下部固定基座，位于平面上方的固定基座为上部固定基座，位于平面下方的应力传感器为下部应力传感器，位于平面上方的应力传感器为上部应力传感器；
[0007]所述下部固定基座固定在底板上，在下部固定基座上设置有四个竖直的弹性可动片，所述弹性可动片的下端固定在下部固定基座上、上端自由；所述四个弹性可动片形成正方形结构布置，在所述正方形结构中放置有一个硬质球，所述硬质球内切于该正方形结构；在每一个弹性可动片的根部外侧均设置有一个方位应力传感器，按顺时针方向，分别记四个方位应力传感器为第一应力传感器、第二应力传感器、第三应力传感器和四应力传感器；
[0008]一根弹性绳索的一端与一个弹性伸缩固定端连接，另一端从下方向上依次穿过下部固定基座和弹性薄膜片上的圆孔后，与硬质球固定；另一根弹性绳索的一端与硬质球连接，另一端与感风结构的下端连接；再一根弹性绳索的一端与感风结构的上端连接，另一端从下方向上依次穿过弹性薄膜片和上部固定基座和上的圆孔后，与另一个弹性伸缩固定端连接；初始状态时，所述硬质球与两根弹性绳索的两个连接点位于同一竖直直径的两端，所有弹性绳索处于拉紧不松弛状态，感风结构位于两个固定基座结构竖直方向的中心，所述弹性伸缩固定端的等效直径大于圆孔，且位于下方的弹性伸缩固定端受到向下的压力始终大于等于零，位于上方的弹性伸缩固定端受到向上的压力始终大于等于自身重力。
[0009]优选的，所述感风结构为轻质空心球体或竖向椭球(即长轴竖直的椭球)，所述感风结构与两根弹性绳索的两个连接点位于同一竖直轴线的两端。
[0010]优选的,所述底板为扁平的正方形或圆形结构,所述下部固定基座固定在底板的中部。
[0011]优选的，所述底板上固定有固定支撑架，所述上部固定基座固定在固定支撑架上。
[0012]优选的，所述四个方位应力传感器、上部应力传感器和下部应力传感器均可采用金属应变片或半导体压阻实现，可靠且成本低；更为优选的，所述四个方位应力传感器采用电阻型传感器，驱动方便，且输出电压抗干扰性好、功耗低。
[0013]感风结构在风场中会随风力大小及方向摆动偏移中心位置，通过弹性绳索带动底部硬质球挤压弹性可动片，从而在1-2个弹性可动片根部产生应力，相应的方位应力传感器为应变电阻结构，当工作时通入一定的电流，则根部的应力将使该方位应力传感器产生与应力大小相关的电压信号；通过测量四个方位应力传感器上的电压信号大小，通过合适的算法和标定就可以得到水平风速和风向的信息；同时通过上部应力传感器和下部应力传感器可以检测弹性绳索拉力大小和变化情况，从而判断出非水平风速信息。
[0014]有益效果:本发明提供的垂吊型三维风速风向传感器结构，采用中心风敏感结构带动水平和垂直方向的应力检测装置，可以感测不同方向的风力及风速，具有如下优势:1、整体结构由基座、感风结构和应力传感器组成，原理简单、结构简单、体积小便于携带且安装方便；2、通过对风敏感的感风装置带动底部应变装置可以轻易实现风向的判定，通过对材料和感风结构等合理设计可以改变测量范围、提高测量精度；3、采用应力传感器对称检测，环境湿度和温度影响很小。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的侧视结构示意图；
[0016]图2为图1中AA’的截面图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0018]如图1、图2所不为一种垂吊型三维风速风向传感器结构,包括底板1、两个固定基座结构、受风可产生位移的感风结构8和弹性绳索7 ；
[0019]所述固定基座结构包括固定基座，在固定基座的表面覆盖有弹性薄膜片11，在固定基座和弹性薄膜片11的中心相应位置开设有圆孔，在弹性薄膜片11可变形位置处的根部设置有一个应力传感器；
[0020]所述底板I的侧边与一个L型的固定支撑架9 一端固定,上部固定基座22与固定支撑架9的另一端固定,所述下部固定基座21固定在底板I中部；所述两个固定基座结构相对于一平面镜像固定且竖直对准，两个固定基座结构的弹性薄膜片11位置相对；记位于平面下方的固定基座为下部固定基座21，位于平面上方的固定基座为上部固定基座22，位于平面下方的应力传感器为下部应力传感器41，位于平面上方的应力传感器为上部应力传感器42 ；[0021]在下部固定基座21上设置有四个竖直的弹性可动片5，所述弹性可动片5的下端固定在下部固定基座21上、上端自由；所述四个弹性可动片5形成正方形结构布置，在所述正方形结构中放置有一个硬质球6，所述硬质球6内切于该正方形结构；在每一个弹性可动片5的根部外侧均设置有一个方位应力传感器,按顺时针方向，分别记四个方位应力传感器为第一应力传感器31、第二应力传感器32、第三应力传感器33和四应力传感器34 ；
[0022]一根弹性绳索7的一端与一个弹性伸缩固定端10连接，另一端从下方向上依次穿过下部固定基座21和弹性薄膜片11上的圆孔后，与硬质球6固定；另一根弹性绳索7的一端与硬质球6连接,另一端与感风结构8的下端连接；再一根弹性绳索7的一端与感风结构8的上端连接，另一端从下方向上依次穿过弹性薄膜片11和上部固定基座22和上的圆孔后，与另一个弹性伸缩固定端10连接；初始状态时，所述硬质球6与两根弹性绳索7的两个连接点位于同一竖直直径的两端，所有弹性绳索7处于拉紧不松弛状态，感风结构8位于两个固定基座结构竖直方向的中心，所述弹性伸缩固定端10的等效直径大于圆孔，且位于下方的弹性伸缩固定端10受到向下的压力始终大于等于零，位于上方的弹性伸缩固定端10受到向上的压力始终大于等于自身重力。
[0023]所述感风结构8为轻质空心球体或竖向椭球，所述感风结构8与两根弹性绳索7的两个连接点位于同一竖直轴线的两端；所述底板I为扁平的正方形或圆形结构。
[0024]当风沿某一水平方向吹过传感器，例如从8点钟方向吹向2点钟方向(为方便叙述，这里平面角度用平放的时钟盘表示，12点对应附图2中第二应力传感器32的位置，6点对应附图2中四应力传感器34的位置)，则中心感风结构8向2点方向移动，带动与其连接的硬质球6 —起向2点方向产生位移。硬质球6推动原来与其相贴的弹性可动片5,且由于风向，仅推动与第二应力传感器32、第三应力传感器33相连的弹性可动片5。由于角度关系，第三应力传感器33上的感应到的力比第二应力传感器32上的更大些；而第一应力传感器31、四应力传感器34将与硬质球6脱离，不产生形变。方位应力传感器由于受力将引起电阻的变化，通过恒定电流驱动或将其与固定电阻串联再用恒定电压驱动，我们可以得到电压输出。与此同时，上部应力传感器42和下部应力传感器41的输出应该相等,表明此时水平风。这些传感器的输出电压与风速W和风向D的关系可以用如下公式计算:
【权利要求】
1.一种垂吊型三维风速风向传感器结构，其特征在于:包括底板(I)、两个固定基座结构、受风可产生位移的感风结构(8)和弹性绳索(7)； 所述固定基座结构包括固定基座，在固定基座的表面覆盖有弹性薄膜片(11)，在固定基座和弹性薄膜片(11)的中心相应位置开设有圆孔，在弹性薄膜片(11)可变形位置处的根部设置有一个应力传感器，所述两个固定基座结构相同、但面与面相对且竖直对准，两个固定基座结构的弹性薄膜片(11)位置相对；记位于平面下方的固定基座为下部固定基座(21)，位于平面上方的固定基座为上部固定基座(22)，位于平面下方的应力传感器为下部应力传感器(41)，位于平面上方的应力传感器为上部应力传感器(42)； 所述下部固定基座(21)固定在底板(I)上，在下部固定基座(21)上设置有四个竖直的弹性可动片(5)，所述弹性可动片(5)的下端固定在下部固定基座(21)上、上端自由；所述四个弹性可动片(5)形成正方形结构布置，在所述正方形结构中放置有一个硬质球(6)，所述硬质球(6)内切于该正方形结构；在每一个弹性可动片(5)的根部外侧均设置有一个方位应力传感器，按顺时针方向，分别记四个方位应力传感器为第一应力传感器(31)、第二应力传感器(32)、第三应力传感器(33)和四应力传感器(34)； 一根弹性绳索(7)的一端与一个弹性伸缩固定端(10)连接，另一端从下方向上依次穿过下部固定基座(21)和弹性薄膜片(11)上的圆孔后，与硬质球(6)固定；另一根弹性绳索(7)的一端与硬质球(6)连接，另一端与感风结构(8)的下端连接；再一根弹性绳索(7)的一端与感风结构(8)的上端连接，另一端从下方向上依次穿过弹性薄膜片(11)和上部固定基座(22 )和上的圆孔后，与另一个弹性伸缩固定端(10 )连接；初始状态时，所述硬质球(6 )与两根弹性绳索(7)的两个连接点位于同一竖直直径的两端，所有弹性绳索(7)处于拉紧不松弛状态，感风结构(8)位于两个固定基座结构竖直方向的中心,所述弹性伸缩固定端(10)的等效直径大于圆孔，且位于下方的弹性伸缩固定端(10)受到向下的压力始终大于等于零，位于上方的弹性伸缩固定端(10)受到向上的压力始终大于等于自身重力。
2.根据权利要求1所述的垂吊型三维风速风向传感器结构，其特征在于:所述感风结构(8)为轻质空心球体或竖向椭球，所述感风结构(8)与两根弹性绳索(7)的两个连接点位于同一竖直轴线的两端。
3.根据权利要求1所述的垂吊型三维风速风向传感器结构，其特征在于:所述底板(I)为扁平的正方形或圆形结构，所述下部固定基座(21)固定在底板(I)的中部。
4.根据权利要求1所述的垂吊型三维风速风向传感器结构，其特征在于:所述底板(I)上固定有固定支撑架(9)，所述上部固定基座(22)固定在固定支撑架(9)上。
【文档编号】G01P5/00GK103529239SQ201310531020
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】秦明, 陈实, 胡世镔 申请人:东南大学