專利名稱：并聯(lián)式三維測風(fēng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測風(fēng)傳感器，尤其是能夠同時測量三維空間矢量風(fēng)的風(fēng)力和 風(fēng)向的并聯(lián)式傳感器。
技術(shù)背景風(fēng)矢量是基本的氣象要素之一，也是大氣邊界層最基本的特征量之一。風(fēng)是由于 空氣流動而產(chǎn)生的，是由許多小尺度的脈動疊加在大尺度規(guī)則氣流上的三維矢量。在氣象 學(xué)上，常把風(fēng)作為二維矢量來考慮。它由兩個參數(shù)來確定，即風(fēng)速(風(fēng)矢量的模數(shù))和風(fēng)向 (風(fēng)矢量的幅角)。用來測量這兩個參數(shù)的裝置被稱為測風(fēng)傳感器，主要應(yīng)用于天氣預(yù)備、 以及風(fēng)能資源分析、風(fēng)場微觀選址、風(fēng)機(jī)及風(fēng)場發(fā)電量計算等。并且在氣象觀測領(lǐng)域，測風(fēng) 傳感器的精確度會直接影響到天氣預(yù)備的準(zhǔn)確度；在風(fēng)能開發(fā)領(lǐng)域，測風(fēng)傳感器的性能會 直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動控制系統(tǒng)能否最優(yōu)的撲捉到風(fēng)力資源進(jìn)行發(fā)電。因此，隨著 環(huán)境科學(xué)的發(fā)展以及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，研究能夠廣泛應(yīng)用的、精確度高的測風(fēng) 儀成為當(dāng)前急需解決的問題。根據(jù)測風(fēng)原理不同，測風(fēng)儀主要類型有(1)利用被加熱物體的冷卻強度與空氣 流動速度之間關(guān)系的散熱式，主要是用于測量小風(fēng)速，但不能測量風(fēng)向。(2)利用聲波在大 氣中的傳播速度與空氣的溫度和風(fēng)速之間關(guān)系的聲學(xué)式，聲學(xué)風(fēng)速計沒有轉(zhuǎn)動部件，具有 工作穩(wěn)定，不易損壞、響應(yīng)快，能測定沿任何指定方向的風(fēng)速分量，但是價格昂貴，并且長期 使用穩(wěn)定性差。(3)利用空氣流的空氣動力學(xué)的旋轉(zhuǎn)式，包含風(fēng)杯式和螺旋槳式兩種。由于 比其他測風(fēng)傳感器測量范圍大、成本比較低，所以目前應(yīng)用最為廣泛的是風(fēng)杯式風(fēng)速計。但 是，以風(fēng)杯式和風(fēng)輪式為主，由于轉(zhuǎn)輪是可動元件，機(jī)械摩擦、泥沙灰塵堆積等因素使儀器 的可靠性不高，誤差較大，長期使用穩(wěn)定性較差。并且風(fēng)向標(biāo)的左右擺動不能精確的對準(zhǔn)風(fēng) 向，會產(chǎn)生側(cè)面分量，會部分的降低平均風(fēng)速。現(xiàn)代氣象監(jiān)測站多向著全天無人值守發(fā)展。建立自動氣象監(jiān)測站，迫切需要精度 高，并且在各種環(huán)境下性能穩(wěn)定的自動監(jiān)測儀器_包括達(dá)到此要求的測風(fēng)傳感器。
發(fā)明內(nèi)容為了得到高可靠性、高精度、使用壽命長、可廣泛應(yīng)用的測風(fēng)傳感器，本實用新型 提供一種并聯(lián)式測風(fēng)傳感器，該傳感器不但能夠同時測量三維空間矢量的風(fēng)力和風(fēng)向，成 本低、結(jié)構(gòu)簡單，還可以廣泛的應(yīng)用到各種測風(fēng)場合。本實用新型的技術(shù)方案如下本實用新型的一種并聯(lián)式三維測風(fēng)傳感器，它包括并聯(lián)式六維力傳感器裝置和感 風(fēng)裝置，所述并聯(lián)式六維力傳感器裝置包括作為基體的Stewart平臺和六個電阻應(yīng)變式 壓力傳感器，所述基體包括上、下支撐平臺和連接上、下支撐平臺的六個彈性支撐桿，并在 六個彈性支撐桿上分別粘貼所述六個電阻應(yīng)變式壓力傳感器的電阻應(yīng)變片；所述感風(fēng)裝置為一球形殼體，該球形殼體固連在Stewart平臺的上支撐平臺上。通過六維力傳感器可以測得感風(fēng)裝置上所受的風(fēng)力的大小和方向，然后通過空氣動力學(xué)原理就可以解算出風(fēng)的速 度及方向。本實用新型提出一種可以同時測量三維空間矢量的風(fēng)力和方向的并聯(lián)式測風(fēng)傳 感器，其感風(fēng)裝置做成球體，這樣可以根據(jù)空氣動力學(xué)原理方便的計算出來自任意方向 的風(fēng)力的大小與感風(fēng)裝置所受力大小之間的關(guān)系；并聯(lián)式六維力傳感器裝置是一種基于 Stewart平臺的六維力/力矩傳感器，在Stewart平臺的連接上、下平臺的六個彈性元件上 安裝的是電阻應(yīng)變式壓力傳感器，電阻應(yīng)變式傳感器主要特性是準(zhǔn)確度高，非線性及滯后 誤差小，蠕變小，并對傳感器的零點平衡、零點溫度影響、靈敏度溫度影響以及輸出靈敏度 標(biāo)準(zhǔn)化都進(jìn)行了全面的補償。當(dāng)來自三維空間中任意方向的自然風(fēng)作用到感風(fēng)裝置上時，會在其上產(chǎn)生作用 力，風(fēng)的大小不同，作用力的大小也不同。通過與感風(fēng)裝置相連的并聯(lián)式六維力傳感器裝置 就可以測定感風(fēng)裝置上所受的風(fēng)力大小及方向，其基本原理是基于Stewart平臺的并聯(lián)式 六維力傳感器裝置受到感風(fēng)裝置上傳遞過來的風(fēng)力矢量時，其上的六個彈性支撐桿產(chǎn)生彈 性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后， 它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號 (電壓或電流)，從而將外力變換為電信號，于是通過Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理可以計算出風(fēng) 力的大小和方向。然后并聯(lián)式六維力傳感器裝置輸出電壓信號經(jīng)放大器放大后送到單片 機(jī)，再利用風(fēng)的作用力與風(fēng)速的關(guān)系可計算輸出風(fēng)速的大小和方向。本實用新型具有如下有益效果可以測量三維空間矢量的風(fēng)力和風(fēng)向，而且具有承載能力強、誤差不積累精度高、 測定風(fēng)向響應(yīng)快、靈敏度高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單可廣泛應(yīng)用到各種場合等優(yōu)點。而且其 測風(fēng)裝置沒有旋轉(zhuǎn)部件，這就避免了因設(shè)備磨損而引起的測量誤差，可以長期使用且不影 響精度，其測力部分是基于Stewart平臺的六維力/力矩傳感器，具有承載能力強、誤差不 積累精度高、運動部件慣性低響應(yīng)快、靈敏度高等獨特優(yōu)點。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_下支撐平臺；2-彈性支撐桿；3-上支撐平臺；4-感風(fēng)裝置；5-電阻應(yīng)變 式壓力傳感器；6-連接柱。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。如圖1本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，它包括并聯(lián)式六維力傳感器裝置和感風(fēng)裝置4， 并聯(lián)式六維力傳感器裝置包括作為基體的Stewart平臺和六個電阻應(yīng)變式壓力傳感器，基 體包括上、下支撐平臺和連接上、下支撐平臺的六個彈性支撐桿2，并在六個彈性支撐桿2 上分別安裝六個電阻應(yīng)變式壓力傳感器5 ；感風(fēng)裝置4為一球形殼體，該球形殼體通過一連 接柱6固連在Stewart平臺的上支撐平臺3上。當(dāng)三維空間中風(fēng)矢量作用在感風(fēng)裝置1上時，產(chǎn)生壓力傳遞在與其相連的上支撐平臺3上，上支撐平臺3和下支撐平臺1通過彈性支撐桿2相連，彈性連桿2由于受到力的作用發(fā)生彈性變形，這樣通過各個彈性支撐桿上的電阻應(yīng)變式壓力傳感器5就可以測得它 們受力大小，從而根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理就可以解算出感風(fēng)裝置上所受風(fēng)力的大小和方向，再 利用風(fēng)的作用力與風(fēng)速的關(guān)系可計算輸出風(fēng)速的大小和方向。
權(quán)利要求一種并聯(lián)式三維測風(fēng)傳感器，其特征是它包括并聯(lián)式六維力傳感器裝置和感風(fēng)裝置，所述并聯(lián)式六維力傳感器裝置包括作為基體的Stewart平臺和六個電阻應(yīng)變式壓力傳感器，所述基體包括上、下支撐平臺和連接上、下支撐平臺的六個彈性支撐桿，并在六個彈性支撐桿上分別安裝所述六個電阻應(yīng)變式壓力傳感器；所述感風(fēng)裝置為一球形殼體，該球形殼體固連在Stewart平臺的上支撐平臺上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)式三維測風(fēng)傳器，其特征是所述球形殼體通過一連接 柱固連在Stewart平臺的上支撐平臺。
專利摘要本實用新型提供一種并聯(lián)式三維測風(fēng)傳感器。它可靠性高、精度高、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣泛。該傳感器包括它包括并聯(lián)式六維力傳感器裝置和感風(fēng)裝置，并聯(lián)式六維力傳感器裝置包括作為基體的Stewart平臺和六個電阻應(yīng)變式壓力傳感器，在基體的六個彈性支撐桿上分別安裝所述六個電阻應(yīng)變式壓力傳感器；所述感風(fēng)裝置為一球形殼體，該球形殼體固連上支撐平臺上。它通過風(fēng)作用在球形殼體的感風(fēng)裝置上產(chǎn)生壓力，再通過粘貼在各個彈性支撐桿上的電阻應(yīng)變片可以測得各個彈性支撐桿的受力大小，然后通過Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理就可以解算出感風(fēng)裝置上風(fēng)力的大小和方向，最后利用風(fēng)的作用力與風(fēng)速的關(guān)系可計算輸出風(fēng)速的大小和方向。
文檔編號G01P13/00GK201589784SQ20092004868
公開日2010年9月22日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者劉云平, 李遠(yuǎn)祿, 顧和軍 申請人:南京信息工程大學(xué)