[發明專利]一種垂吊型三維風速風向傳感器結構

有效

• 申請號: 201310531020.7
• 申請日: 2013-10-31
• 公開（公告）號: CN103529239A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 秦明;陳實;胡世鑌
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P5/00
• 分類號: G01P5/00;G01P13/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及風速風向檢測裝置，尤其涉及一種垂吊型三維風速風向傳感器結構。

背景技術

風速、風向是反應氣象情況非常重要的參數，對環境監測、空氣調節和工農業的生產有重要影響，因此快速準確測量出風速和風向具有重要的實際意義。傳統的風杯和風向標是目前仍廣泛使用的檢測器件，但這些機械裝置因具有移動部件而易磨損，同時具有體積大，價格昂貴，需要經常維護等缺點。典型超聲風速傳感器發射和探測接收頭位置固定，因此相對結構也較大。基于MEMS加工技術的微型熱流速傳感器具有體積小，價格低，產品一致性好的特點，是近幾年來熱風速傳感器研究的熱點。但是，由于硅襯底的高熱導率，這類傳感器的功耗較大，靈敏度較低。采用背面腐蝕或者正面腐蝕的方法形成絕熱薄膜，可以提高靈敏度，但是結構易損壞，不利于后道工藝和封裝。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種垂吊型三維風速風向傳感器結構，采用中心對風敏感的結構，產生變形帶動底部中心對稱放置的彈性敏感結構受力，以檢測風速風向，結構小巧簡單、靈敏度高、不易磨損且功耗低。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種垂吊型三維風速風向傳感器結構，包括底板、兩個固定基座結構、受風可產生位移的感風結構和彈性繩索；

所述固定基座結構包括固定基座，在固定基座的表面覆蓋有彈性薄膜片，在固定基座和彈性薄膜片的中心相應位置開設有圓孔，在彈性薄膜片可變形位置處的根部設置有一個應力傳感器，所述兩個固定基座結構相同、但面面相對且豎直對準，兩個固定基座結構的彈性薄膜片位置相對；記位于平面下方的固定基座為下部固定基座，位于平面上方的固定基座為上部固定基座，位于平面下方的應力傳感器為下部應力傳感器，位于平面上方的應力傳感器為上部應力傳感器；

所述下部固定基座固定在底板上，在下部固定基座上設置有四個豎直的彈性可動片，所述彈性可動片的下端固定在下部固定基座上、上端自由；所述四個彈性可動片形成正方形結構布置，在所述正方形結構中放置有一個硬質球，所述硬質球內切于該正方形結構；在每一個彈性可動片的根部外側均設置有一個方位應力傳感器，按順時針方向，分別記四個方位應力傳感器為第一應力傳感器、第二應力傳感器、第三應力傳感器和四應力傳感器；

一根彈性繩索的一端與一個彈性伸縮固定端連接，另一端從下方向上依次穿過下部固定基座和彈性薄膜片上的圓孔后，與硬質球固定；另一根彈性繩索的一端與硬質球連接，另一端與感風結構的下端連接；再一根彈性繩索的一端與感風結構的上端連接，另一端從下方向上依次穿過彈性薄膜片和上部固定基座和上的圓孔后，與另一個彈性伸縮固定端連接；初始狀態時，所述硬質球與兩根彈性繩索的兩個連接點位于同一豎直直徑的兩端，所有彈性繩索處于拉緊不松弛狀態，感風結構位于兩個固定基座結構豎直方向的中心，所述彈性伸縮固定端的等效直徑大于圓孔，且位于下方的彈性伸縮固定端受到向下的壓力始終大于等于零，位于上方的彈性伸縮固定端受到向上的壓力始終大于等于自身重力。

優選的，所述感風結構為輕質空心球體或豎向橢球（即長軸豎直的橢球），所述感風結構與兩根彈性繩索的兩個連接點位于同一豎直軸線的兩端。

優選的，所述底板為扁平的正方形或圓形結構，所述下部固定基座固定在底板的中部。

優選的，所述底板上固定有固定支撐架，所述上部固定基座固定在固定支撐架上。

優選的，所述四個方位應力傳感器、上部應力傳感器和下部應力傳感器均可采用金屬應變片或半導體壓阻實現，可靠且成本低；更為優選的，所述四個方位應力傳感器采用電阻型傳感器，驅動方便，且輸出電壓抗干擾性好、功耗低。

感風結構在風場中會隨風力大小及方向擺動偏移中心位置，通過彈性繩索帶動底部硬質球擠壓彈性可動片，從而在1-2個彈性可動片根部產生應力，相應的方位應力傳感器為應變電阻結構，當工作時通入一定的電流，則根部的應力將使該方位應力傳感器產生與應力大小相關的電壓信號；通過測量四個方位應力傳感器上的電壓信號大小，通過合適的算法和標定就可以得到水平風速和風向的信息；同時通過上部應力傳感器和下部應力傳感器可以檢測彈性繩索拉力大小和變化情況，從而判斷出非水平風速信息。