[發明專利]一種基于PVDF壓電傳感器的流速測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201811017324.0
• 申請日: 2018-09-01
• 公開（公告）號: CN109270291B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 唐銳;李琪;尚大晶;孫小越;孫俊東;王一霖
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01P5/02
• 分類號: G01P5/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于PVDF壓電傳感器的流速測量裝置及方法，屬于流速測量和平板湍流領域。測量裝置由風機、風管、變頻箱、PVDF壓電傳感器、風速儀、BK動態信號分析儀和計算機組成。變頻箱控制風機轉速，風機出風口接風管，PVDF壓電傳感器置于風管末端，PVDF傳感器引出引線接入BK動態信號分析儀，分析儀接入計算機。測量方法包括BK動態信號分析儀采集不同風速下PVDF傳感器輸出的電壓頻譜；由大量實驗數據擬合出lgU＝b*lgv³+d式中的比例系數b、d,校準PVDF傳感器；給定任意風速，得到PVDF傳感器輸出的電壓頻譜，代入式lgU＝b*lgv³+d中計算，可得出風速值。本發明提供的PVDF傳感器，可貼于風洞、水洞、運動物體表面，適用于各種測量條件，材料薄，精度高，干擾小，測量結果穩定可靠，且價格低廉。

技術領域

本發明屬于流速測量和平板湍流領域，具體涉及以一種基于PVDF壓電傳感器的流速測量裝置及方法。

背景技術

流體的流動速度是流場最為基本的物理量，通過獲得速度場，可以進一步得到流場的環量、渦量等物理量，從而全面掌握流場特征。獲得流場速度，需要可靠的測量原理和設備，目前的流速測量方法主要使用畢托管、熱線風速儀、激光多普勒流速儀和粒子圖像測速儀，其他方法均是基于這些方法的基本原理演變而來的。

畢托管測速原理是流體力學的Bernoulli方程，要求流體運動條件為定常、理想無粘、不可壓，受上述條件限制，畢托管測量的是平均流速或流量。且由于畢托管是單點、定常的接觸式測量，易影響被測流場，因此畢托管主要應用于工業級測量或輔助驗證，不能準確測量流場速度。熱線風速儀的原理是金屬絲的溫度會隨風速變化而變化，金屬絲的溫度變化又影響電信號輸出，因此電信號的大小與風速有一一對應關系，測量電信號就可以獲得風速。受測量原理限制，熱絲長細比有一定要求，且多用于氣體流速測量。

此外，流速在工程上的測量，常見有以下兩種：第一代的旋槳式流速儀，在流速測量中被廣泛應用，也是作為行業常用儀器而被國家標準所認可。但其易受漂浮物等的干擾。第二代的超聲多普勒流速儀，是一種單點高精度的多普勒流速儀，與第一代不同，它為非接觸式，專門用于水中流速的測量，且測量結果為三維。但它無法在含沙量大的環境中正常工作，且價格較為昂貴。

PVDF，Polyvinylidene Fluoride即聚偏二氟乙烯，是一種有機高分子壓電材料。其壓電電壓系數比其它壓電材料高很多倍，靈敏度高，傳感性能好，測量頻率范圍寬，對環境變化表現很高的穩定性；制作成本低、易加工、重量輕，已廣泛應用于水聲、結構測量、醫學測量、航空航海等領域。PVDF傳感器已經用于流速的測量，專利CN204214888U使用新型設備支架和固定支架，通過導軌建立連接，流速PVDF壓電傳感器安裝在設備支架下端外壁外側，河流流向迎水面。此法測量流速，PVDF傳感器安裝方向垂直于河流流向，利用水流對傳感器正面沖擊的壓力和流速大小的對應關系，可以用于測量風速和水流流速，但受到水深的限制。

目前尚未見利用平板湍流層流噪聲輻射聲強與流速對應關系的原理來測量流速的方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于PVDF壓電傳感器的流速測量裝置及方法。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于PVDF壓電傳感器的流速測量裝置，由變頻箱、風機、風管1、風速儀2、PVDF傳感器3、BK動態信號分析儀4、計算機5組成；其中PVDF傳感器3包括PVDF膜片6、硬質背襯塑料板7、引線8、電極9；變頻箱控制風機轉速，風機出風口接風管1，PVDF壓電傳感器3置于風管1末端，PVDF傳感器每個陣元兩極引出引線8接入BK動態信號分析儀4，BK動態信號分析儀4接入計算機5；風速儀2置于風管1中，位于PVDF膜片6上方，PVDF膜片6敷設在硬質背襯塑料板7表面。