一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法与流程

本发明涉及雨滴冲击力测量，尤其涉及一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法。

背景技术：

1、随着技术的发展，对精确测量自然环境中的物理力量，如雨滴冲击力的需求日益增加。这种测量在多个领域都具有重要意义，包括输电塔的雨滴冲击监测、航空和交通工具的外部材料测试、建筑物维护、海浪能开发，以及农业和环境监测等。在这些应用中，精确测量雨滴或其他液体的冲击力对于保障结构完整性、优化设计、提高能源效率和理解环境变化至关重要。

2、然而，现有的测量技术往往面临着成本高、设备复杂、响应时间长、精度不足等问题。为解决这些技术难题，本发明提出了一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法。这种方法利用压电纤维将机械冲击力转换为电信号，从而实现对冲击力的直接、实时、准确测量。这不仅优化了数据收集过程，降低了成本，而且提高了应用的灵活性和测量的精确度。该方法可为上述领域提供技术支持。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，利用压电纤维将机械冲击力转换为电信号，从而实现对冲击力的直接、实时、准确测量，不仅优化了数据收集过程，降低了成本，而且提高了应用的灵活性和测量的精确度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，包括以下步骤：

4、步骤一：设置由多个相同的滴定管组成的滴水装置和压电纤维传感器；

5、步骤二：设定高度组合；所述高度组合由若干个离滴水装置水平底面的不同高度作为元素组成；

6、步骤三：使得滴水器按照高度组合落下固定直径的水滴冲击压电纤维传感器；

7、步骤四：计算一个滴水器的水滴滴落到压电纤维传感器的等效最大冲击力；

8、步骤五：测量在压电纤维传感器两端产生电压信号，并计算等效峰值电压；

9、步骤六：根据步骤四-步骤五获得所有滴水器离滴水装置水平底面的的高度、等效最大冲击力和等效峰值电压进行拟合获得拟合曲线；

10、步骤七：测量实际电压信号，根据拟合曲线获得雨滴冲击力。

11、进一步地，所述滴水装置包括安装支架、滴定管安装夹；所述安装支架的底面水平且设有垂直底面水平面的支架；所述滴定管安装夹安装于支架上；所述滴定管安装夹用于可拆卸安装滴定管且使得滴定管滴水的位置按照高度组合设置。

12、进一步地，所述步骤三中，固定直径的水滴的方法为：

13、步骤1.设定滴定管的滴水次数；

14、步骤2.测量滴定管初始液位和经过滴水次数滴后的液位；

15、步骤3.计算滴定管滴出的水滴的平均体积及水滴直径；

16、步骤4.调整滴水次数循环执行步骤2和步骤3直至选取所需水滴直径最大的滴水次数后对每个滴定管使用该滴水次数进行滴水。

17、进一步地，所述步骤3的具体方法为：设平均体积v及水滴直径d，根据滴定器初始液位刻度v1和滴出n滴后的液位刻度v2，公式如下：

18、

19、测量等效冲击时间、碰撞前速度、动量，并计算等效最大冲击力；

20、进一步地，所述步骤四中，计算等效最大冲击力的具体方法为：

21、步骤a1.分析水滴受力情况，由经典力学得知雨滴下落为从变加速到匀速运动的两种运动过程，将两种运动的分界点作为临界点；

22、步骤a2.设水滴达到下落终速的时刻为终速时刻；

23、步骤a3.依次计算加速度方程、速度方程和运动方程；

24、步骤a4.根据终速时刻、速度方程和运动方程计算在临界点的速度作为临界速度；

25、步骤a5.计算固定大小的水滴下落在达到下落终速前的运动方程和速度方程；

26、步骤a6.在已知水滴大小和下落高度的情况下由步骤a5的运动方程和速度方程获得下落终速和时间；

27、步骤a7.计算单个水滴在冲击时间内的等效最大冲击力。

28、进一步地，所述计算等效峰值电压的具体方法为：在每个滴定管分别测指定次数，采用信号采集设备获得每次压电纤维传感器之间的等效峰值电压，根据每次水滴下落的等效峰值电压计算等效平均电压峰值。

29、进一步地，所述信号采集设备包括优泰ut4108电荷放大器、东华dh5920n动态信号采集器。

30、进一步地，所述高度组合为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、本发明基于雨滴与压电传感器接触碰撞的受力机理，根据hertz接触理论，分析雨滴与压电传感器的接触碰撞受力机理。通过计算雨滴与压电传感器的碰撞时间，根据牛顿运动定律推导雨滴的冲击荷载。建立雨滴冲击力与输出电压之间的数学关系。压电传感器在受力作用下可以产生与其所受力大小成正比的输出电压，因此本发明建立了冲击力与输出电压的数学模型。通过大量重复试验测得所采用的压电纤维传感器的机械应力与输出电压的对应关系。运用这一转换关系，可以测量得到在各种风雨工况下雨滴冲击力的大小。

技术特征：

1.一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，其特征在于，所述滴水装置包括安装支架、滴定管安装夹；所述安装支架的底面水平且设有垂直底面水平面的支架；所述滴定管安装夹安装于支架上；所述滴定管安装夹用于可拆卸安装滴定管且使得滴定管滴水的位置按照高度组合设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，其特征在于，所述步骤三中，固定直径的水滴的方法为：

4.根据权利要求3所述的一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，其特征在于，所述步骤3的具体方法为：设平均体积v及水滴直径d，根据滴定器初始液位刻度v1和滴出n滴后的液位刻度v2，公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，其特征在于，所述步骤四中，计算等效最大冲击力的具体方法为：

6.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，其特征在于，所述计算等效峰值电压的具体方法为：在每个滴定管分别测指定次数，采用信号采集设备获得每次压电纤维传感器之间的等效峰值电压，根据每次水滴下落的等效峰值电压计算等效平均电压峰值。

7.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，其特征在于，所述信号采集设备包括优泰ut4108电荷放大器、东华dh5920n动态信号采集器。

8.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，其特征在于，所述高度组合为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm。

技术总结
本发明提出一种基于压电纤维传感器的雨滴冲击力测量方法，包括以下步骤：设置由多个相同的滴定管组成的滴水装置和压电纤维传感器；设定高度组合；使得滴水器按照高度组合落下固定直径的水滴冲击压电纤维传感器；计算一个滴水器的水滴滴落到压电纤维传感器的等效最大冲击力；测量在压电纤维传感器两端产生电压信号，并计算等效峰值电压；拟合获得拟合曲线；测量实际电压信号，根据拟合曲线获得雨滴冲击力。本发明实现对冲击力的直接、实时、准确测量。

技术研发人员：蒲鸥,李正农,林溪桥,李真,袁柏秋,叶健,梁泳,罗阳洋,张世波,严进,陈正
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27