一種基于空間擺的機(jī)械式二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本涉發(fā)明發(fā)明及一種環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，特別是機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向傳感器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)速風(fēng)向傳感器已被大量應(yīng)用在氣象、環(huán)保、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及野外科考等行業(yè)，特別是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)而言，更是具有不可缺少和替代的作用。目前已有的測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向技術(shù)主要包括以下三種:采用風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式測(cè)量法；超聲波測(cè)量法;MEMS芯片測(cè)量法。
[0003]采用風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式傳感器，由于存在轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，若風(fēng)向和風(fēng)速傳感器的啟動(dòng)風(fēng)速不同時(shí)，易造成錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果；再加上風(fēng)的湍流特征，其測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的風(fēng)矢量之間有較大的差異。此種形式的傳感器，轉(zhuǎn)動(dòng)部件易磨損，體積較大，需要經(jīng)常維護(hù)，且儀器支架和安裝支架對(duì)測(cè)量精度有著很大的影響。同時(shí)，機(jī)械式旋轉(zhuǎn)式測(cè)量還存在啟動(dòng)風(fēng)速，低于啟動(dòng)值的微風(fēng)將無法測(cè)量。
[0004]超聲波式測(cè)量主要有時(shí)差法、多普勒法、渦街法和相關(guān)法等測(cè)量方法。時(shí)差法最為常見，其原理為:在平靜空氣中，聲波的傳播速度會(huì)被空氣流動(dòng)所改變。如果風(fēng)向和聲波的傳播方向相同，就會(huì)增大聲波的傳播速度，反之則會(huì)減小聲波的速度。利用超聲波測(cè)風(fēng)克服了機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀的上述缺點(diǎn)，沒有了機(jī)械活動(dòng)支架，不存在機(jī)械磨損、阻塞、冰凍等問題，也沒有“機(jī)械慣性”，理論上可以測(cè)量的風(fēng)速范圍下限為零，不存在啟動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)速上限可以根據(jù)傳感器間距進(jìn)行調(diào)整。但該測(cè)量方式至少需要兩組超聲波換能器，價(jià)格是機(jī)械式測(cè)量法的幾倍甚至幾十倍。
[0005]采用MEMS芯片的測(cè)量法是最近發(fā)展出來的，通過在圓柱體上打兩個(gè)相互正交的通孔，在每個(gè)孔的中間放置一個(gè)MEMS風(fēng)速傳感器芯片，即可綜合每個(gè)芯片測(cè)量到的數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)時(shí)的風(fēng)速和風(fēng)向。該測(cè)量法首先需要建立理論模型以指出其最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，但氣流通路通常會(huì)過于復(fù)雜，要根據(jù)流體力學(xué)原理對(duì)圓柱體繞流問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和理論分析，設(shè)計(jì)制作復(fù)雜度和生產(chǎn)成本都較高。
[0006]綜上所述，設(shè)計(jì)出一種安裝使用方便、易于維護(hù)甚至免維護(hù)、可靠性高且成本較低的風(fēng)速風(fēng)向傳感器是一個(gè)急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)速風(fēng)向傳感器。
[0008]本發(fā)明的組成:包括三個(gè)圓環(huán)C1-C3 ;連桿:L1-L9 ;空心球BI ;圓盤:P1 ;兩個(gè)霍爾角度傳感器:H1、H2和配重塊:BW。
[0009]四根等長(zhǎng)連桿L1-L4沿圓周均布將圓環(huán)Cl和圓環(huán)C2連為一個(gè)圓臺(tái)形，構(gòu)成支架，圓環(huán)Cl半徑大于圓環(huán)C2半徑，Cl位于下方，C2位于上方。
[0010]圓環(huán)C3為圓環(huán)C2的內(nèi)環(huán)，由位于同一直線上的等長(zhǎng)連桿L6、L7由圓環(huán)C 3外圓周連接到圓環(huán)C2，連桿L6與連桿LI的端點(diǎn)在圓環(huán)C2交于一點(diǎn)，連桿L6相對(duì)圓環(huán)C2可轉(zhuǎn)動(dòng)。連桿L7與連桿L2的端點(diǎn)在圓環(huán)C2交于一點(diǎn)，連桿L7相對(duì)圓環(huán)C2可轉(zhuǎn)動(dòng)。圓環(huán)C3、連桿L6和連桿L7構(gòu)成一個(gè)整體，為空間擺的外旋轉(zhuǎn)模塊(以下簡(jiǎn)稱外模塊)。
[0011]空心球BI，連桿L5、L8、L9和圓盤Pl構(gòu)成一個(gè)整體，為空間擺的內(nèi)旋轉(zhuǎn)模塊(以下簡(jiǎn)稱內(nèi)模塊)。圓盤Pl半徑小于圓環(huán)C3，圓盤P1、圓環(huán)C3和圓環(huán)C2的圓心重合于同一空間點(diǎn)，位于同一直線上的等長(zhǎng)連桿L8、連桿L9將圓盤PI連接至圓環(huán)C3，連桿L8、連桿L9所在直線與連桿L6、連桿L7所在直線正交于圓盤Pl的圓心。連桿L5 —端與圓盤Pl圓心相連，一端與空心球BI表面一點(diǎn)相連，其中連桿L5即垂直于圓盤Pl所在平面，同時(shí)也是空心球BI的外法線方向?？招那駼I位于圓環(huán)Cl和圓環(huán)C2之間。以連桿L8、連桿L9與圓環(huán)C3的交點(diǎn)之間連線為軸，內(nèi)模塊可相對(duì)外模塊轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0012]以圓環(huán)C2所在平面為水平面，建立笛卡爾三維空間坐標(biāo)系:以圓盤Pl圓心為原點(diǎn)，沿連桿L6方向?yàn)閄軸，指示北方(N);俯視圓環(huán)C2 (即視線由圓環(huán)C2指向圓環(huán)Cl)，將X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度為y軸，指示東方(E);按右手螺旋法則定義z軸(即圓環(huán)C2的圓心指向圓環(huán)Cl的圓心)。
[0013]霍爾角度傳感器Hl安裝在連桿L6與連桿LI的交點(diǎn)處；霍爾角度傳感器H2安裝在連桿L8與圓環(huán)C3的交點(diǎn)處；配重塊BW與霍爾角度傳感器H2等重，安裝在連桿L9與圓環(huán)C3的交點(diǎn)處。
[0014]當(dāng)空心球BI受風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，外模塊相對(duì)支架旋轉(zhuǎn)，霍爾角度傳感器Hl測(cè)得的旋轉(zhuǎn)角度為α ;內(nèi)模塊相對(duì)外模塊旋轉(zhuǎn)，霍爾角度傳感器Η2測(cè)得的旋轉(zhuǎn)角度為β，由α、β、連桿L5的幾何尺寸和材料密度、空心球BI的幾何尺寸和材料密度即可計(jì)算出風(fēng)速風(fēng)向數(shù)值。
[0015]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，相對(duì)已有的風(fēng)速風(fēng)力傳感器而言，減少了風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)式機(jī)械旋轉(zhuǎn)測(cè)量法中的旋轉(zhuǎn)慣性部件，提高了工作可靠性和使用壽命；同時(shí)相對(duì)超聲波測(cè)量法的成本大大降低，更適合于大規(guī)模推廣。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明風(fēng)速風(fēng)向傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖2是風(fēng)速計(jì)算物理模型圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)參考圖1制作加工與裝配。
[0018]本發(fā)明的組成:包括三個(gè)圓環(huán)C1-C3 ;連桿L1-L9 ;空心球BI ;圓盤Pl ;兩個(gè)霍爾角度傳感器:Η1、Η2和配重塊BW。
[0019]四根等長(zhǎng)連桿L1-L4沿圓周均布將圓環(huán)Cl和圓環(huán)C2連為一個(gè)圓臺(tái)形，構(gòu)成支架，圓環(huán)Cl半徑大于圓環(huán)C2半徑，Cl位于下方，C2位于上方。
[0020]圓環(huán)C3為圓環(huán)C2的內(nèi)環(huán)，由位于同一直線上的等長(zhǎng)連桿L6、L7由圓環(huán)C3連接到圓環(huán)C2，連桿L6與連桿LI的端點(diǎn)在圓環(huán)C2交于一點(diǎn)，連桿L6相對(duì)圓環(huán)C2可轉(zhuǎn)動(dòng)。連桿L7與連桿L2的端點(diǎn)在圓環(huán)C2交于一點(diǎn)，連桿L7相對(duì)圓環(huán)C2可轉(zhuǎn)動(dòng)。圓環(huán)C3、連桿L6和連桿L7構(gòu)成一個(gè)整體，為空間擺的外旋轉(zhuǎn)模塊(以下簡(jiǎn)稱外模塊)。
[0021]空心球BI，連桿L5、L8、L9和圓盤Pl構(gòu)成一個(gè)整體，為空間擺的內(nèi)旋轉(zhuǎn)模塊(以下簡(jiǎn)稱內(nèi)模塊)。圓盤Pl半徑小于圓環(huán)C3，圓盤P1、圓環(huán)C3和圓環(huán)C2的圓心重合于同一空間點(diǎn)，位于同一直線上的等長(zhǎng)連桿L8、連桿L9將圓盤PI連接至圓環(huán)C3，連桿L8、連桿L9所在直線與連桿L6、連桿L7所在直線正交于圓盤Pl的圓心。連桿L5 —端與圓盤Pl圓心相連，一端與空心球BI表面一點(diǎn)相連，其中連桿L5即垂直于圓盤Pl所在平面，同時(shí)也是空心球BI的外法線方向?？招那駼I位于圓環(huán)Cl和圓環(huán)C2之間。以連桿L8、連桿L9與圓環(huán)C3的交點(diǎn)之間連線為軸，內(nèi)模塊可相對(duì)外模塊轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0022]以圓環(huán)C2所在平面為水平面，建立笛卡爾三維空間坐標(biāo)系:以圓盤Pl圓心為原點(diǎn)，沿連桿L6方向?yàn)閄軸，指示北方(N);俯視圓環(huán)C2 (即視線由圓環(huán)C2指向圓環(huán)Cl)，將X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度為y軸，指示東方(E);按右手螺旋法則定義z軸(即圓環(huán)C2的圓心指向圓環(huán)Cl的圓心)。
[0023]霍爾角度傳感器Hl安裝在連桿L6與連桿LI的交點(diǎn)處；霍爾角度傳感器H2安裝在連桿L8與圓環(huán)C3的交點(diǎn)處；配重塊BW與霍爾角度傳感器H2等重，安裝在連桿L9與圓環(huán)C3的交點(diǎn)的交界處。
[0024]當(dāng)空心球BI受風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，外模塊相對(duì)支架旋轉(zhuǎn)，霍爾角度傳感器Hl測(cè)得的旋轉(zhuǎn)角度為α ;內(nèi)模塊相對(duì)外模塊旋轉(zhuǎn)，霍爾角度傳感器Η2測(cè)得的旋轉(zhuǎn)角度為β，由α、β、連桿L5的幾何尺寸和材料密度、空心球BI的幾何尺寸和材料密度即可計(jì)算出風(fēng)速風(fēng)向數(shù)值。
[0025]安裝時(shí)使圓環(huán)C2處于水平狀態(tài)，連桿L6指向北方。
[0026]根據(jù)空間幾何原理，利用霍爾角度傳感器Η1、Η2測(cè)得的旋轉(zhuǎn)角度α、β可計(jì)算出空心球BI在xy平面的投影方位，即可得此時(shí)的風(fēng)向；同時(shí)圖2中Θ的值也可根據(jù)α、β計(jì)算得到。
[0027]參考圖2，由連桿L5的材料和幾何尺寸以及空心球BI的材料和幾何尺寸，可計(jì)算得到連桿L5與空心球BI聯(lián)合體的重心c的位置及其總重力G ;根據(jù)固體力學(xué)原理，可計(jì)算得到風(fēng)力Fw的大小，再結(jié)合風(fēng)速風(fēng)力的相互關(guān)系，由Fw與BI外半徑R可推導(dǎo)出此時(shí)的風(fēng)速值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于空間擺的機(jī)械式二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于:包括三個(gè)圓環(huán)C1-C3，九根連桿L1-L9，空心球BI，圓盤Pl，兩個(gè)霍爾角度傳感器Hl、H2和配重塊BW ；四根等長(zhǎng)連桿L1-L4沿圓周均布將圓環(huán)Cl和圓環(huán)C2連為一個(gè)圓臺(tái)形，構(gòu)成支架，圓環(huán)Cl半徑大于圓環(huán)C2半徑，Cl位于下方，C2位于上方； 圓環(huán)C3為圓環(huán)C2的內(nèi)環(huán)，由位于同一直線上的等長(zhǎng)連桿L6、L7由圓環(huán)C3外圓周連接到圓環(huán)C2，連桿L6與連桿LI的端點(diǎn)在圓環(huán)C2交于一點(diǎn)，連桿L6相對(duì)圓環(huán)C2可轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿L7與連桿L2的端點(diǎn)在圓環(huán)C2交于一點(diǎn)，連桿L7相對(duì)圓環(huán)C2可轉(zhuǎn)動(dòng)；圓環(huán)C3、連桿L6和連桿L7構(gòu)成一個(gè)整體，為空間擺的外旋轉(zhuǎn)模塊，簡(jiǎn)稱外模塊； 空心球BI，三根連桿L5、L8、L9和圓盤Pl構(gòu)成一個(gè)整體，為空間擺的內(nèi)旋轉(zhuǎn)模塊，圓盤Pl半徑小于圓環(huán)C3半徑，圓盤P1、圓環(huán)C3和圓環(huán)C2的圓心重合，位于同一直線上的等長(zhǎng)連桿L8、連桿L9將圓盤Pl連接至圓環(huán)C3，連桿L8、連桿L9所在直線與連桿L6、連桿L7所在直線正交于圓盤Pl的圓心；連桿L5—端與圓盤Pl圓心相連，一端與空心球BI表面一點(diǎn)相連，其中連桿L5既垂直于圓盤Pl所在平面，同時(shí)也是空心球BI的外法線方向；空心球BI位于圓環(huán)Cl和圓環(huán)C2之間；以連桿L8、連桿L9與圓環(huán)C3的交點(diǎn)之間連線為軸，內(nèi)模塊可相對(duì)外模塊轉(zhuǎn)動(dòng)； 霍爾角度傳感器Hl安裝在連桿L6與連桿LI的交點(diǎn)處；霍爾角度傳感器H2安裝在連桿L8與圓環(huán)C3的交點(diǎn)處；配重塊BW與霍爾角度傳感器H2等重，安裝在連桿L9與圓環(huán)C3的交點(diǎn)處。
【專利摘要】一種基于空間擺的機(jī)械式二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，本發(fā)明包括三個(gè)圓環(huán)C1-C3；九根連桿L1-L9；空心球B1；圓盤P1；兩個(gè)霍爾角度傳感器H1、H2和配重塊BW。四根連桿L1-L4將圓環(huán)C1和圓環(huán)C2連為一個(gè)圓臺(tái)形，構(gòu)成支架；圓環(huán)C3為圓環(huán)C2的內(nèi)環(huán)，連桿L6、L7由圓環(huán)C3外沿連接到圓環(huán)C2；空心球B1，三根連桿L5、L8、L9和圓盤P1構(gòu)成一個(gè)整體；圓盤P1半徑小于圓環(huán)C3半徑，圓盤P1、圓環(huán)C3和圓環(huán)C2的圓心重合，位于同一直線上的連桿L8、L9將圓盤P1連接至圓環(huán)C3。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，減少了風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)式機(jī)械旋轉(zhuǎn)測(cè)量法中的旋轉(zhuǎn)慣性部件，提高了工作可靠性和使用壽命。
【IPC分類】G01P5-02, G01P13-02
【公開號(hào)】CN104820108
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510252206
【發(fā)明人】李尹
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年5月18日