一種三維渾水脈動(dòng)流速儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維渾水脈動(dòng)流速儀，包括三維測力傳感器、防水外殼和測力桿；三維測力傳感器設(shè)在所述防水外殼內(nèi)；測力桿穿過防水外殼與所述三維測力傳感器連接；本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：采用接觸式測量方法，無需以光或聲波作為信號(hào)，避免了水流不透光或顆粒漫反射等因素對(duì)測量信號(hào)的干擾，因而可應(yīng)用于任意濃度含沙水流的測量；三維測力傳感器使用三組相互正交的懸臂梁分別測力，避免力分量之間的相互干擾，實(shí)現(xiàn)了三維流速分量的獨(dú)立同步測量；在高自振頻率測力桿及三維測力傳感器的配合下，采樣頻率大于200Hz，可有效測得明渠含沙水流的三維脈動(dòng)信息；生產(chǎn)成低于市售ADV，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
【專利說明】-種H維渾水脈動(dòng)流速儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種=維渾水脈動(dòng)流速儀，尤其是一種能夠測量渾水=維瞬時(shí)流速的 儀器，屬于水利量測【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 水流因泥沙、污染物、藻類等固相顆粒而渾濁，渾水是天然河流最自然的狀態(tài)，特 別是在我國西北地區(qū)的河流（如黃河），洪水含沙量可高達(dá)l(K)kg/m3。
[0003] 流速是刻畫水流最基本的物理量，19世紀(jì)W來，隨著實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的建立和發(fā)展， 研發(fā)出的流速測量儀器已有畢托管、旋獎(jiǎng)流速儀、熱絲、聲學(xué)多普勒流速儀（ADV)、激光多普 勒流速儀（LDV)、粒子圖像測速儀（PIV)等多種類型，其中，畢托管和旋獎(jiǎng)流速儀只用于測 量時(shí)均流速，其它儀器可測量瞬時(shí)流速。
[0004] 與清水相比，渾水的透光性較低，不適合應(yīng)用LDV、PIV等需要用光的測速儀器，而 熱絲只能應(yīng)用于潔凈水流，因此，ADV是目前測量渾水S維瞬時(shí)流速的主要儀器。ADV的工 作原理是分別利用發(fā)射和接收探頭向待測水團(tuán)發(fā)射和接收超聲信號(hào)，通過檢測兩者之間的 多普勒頻移測量水流流速。根據(jù)ADV測速原理，待測水團(tuán)中的固體顆粒是超聲信號(hào)反射源， 因此，ADV的測量精度會(huì)隨著顆粒濃度的增加而增大；但是，當(dāng)含沙濃度超過一定范圍后， 信號(hào)傳播途中的顆粒對(duì)超聲波的漫反射作用增強(qiáng)，降低接收信號(hào)的強(qiáng)度，使得ADV測量精 度隨顆粒濃度的增大而降低，已有研究表明，在含沙量高于20kg/m 3的含沙水流中，使用ADV 難W測得可靠的流速數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，ADV單臺(tái)市場價(jià)格高達(dá)10萬元人民幣，同時(shí)需要多 臺(tái)測速儀器的應(yīng)用場合費(fèi)用高昂。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了提供一種價(jià)格便宜，且在高含沙水流中仍能有效測量水流=維瞬時(shí)流速的儀 器，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種=維渾水脈動(dòng)流速儀，包括=維測力傳感器、防水外殼 和測力桿；所述=維測力傳感器設(shè)在所述防水外殼內(nèi)；所述測力桿穿過所述防水外殼與所 述=維測力傳感器連接。
[0006] 進(jìn)一步地，所述防水外殼包括第一部件和第二部件；所述第一部件的第一端與所 述第二部件的第一端連接；所述第一部件的第二端設(shè)有測量孔；所述第二部件的第二端設(shè) 有出線孔；所述=維測力傳感器設(shè)在所述第一部件與所述第二部件的連接處。
[0007] 進(jìn)一步地，所述=維測力傳感器包括固定支座、第一彈性梁、第二彈性梁和電阻應(yīng) 變片；所述固定支座的第一端連接所述第一彈性梁的第一端；所述第一彈性梁的第二端垂 直連接所述第二彈性梁的第一端；所述電阻應(yīng)變片設(shè)在所述第一彈性梁和所述第二彈性梁 內(nèi)。
[000引進(jìn)一步地，所述測力桿包括測力球和連接桿；所述連接桿的第一端與所述測力球 連接；所述連接桿的第二端與所述=維測力傳感器連接。
[0009] 進(jìn)一步地，所述固定支座、第一彈性梁和第二彈性梁均設(shè)有圓形通孔；所述第二彈 性梁的圓形通孔內(nèi)插入所述測力桿；所述第一彈性梁的第一端橫向設(shè)有第一方形通孔；所 述第一彈性梁的第二端縱向設(shè)有第二方形通孔；所述第二彈性梁的中部設(shè)有第=方形通 孔；所述第一方形通孔、第二方形通孔和第=方形通孔內(nèi)均設(shè)有電阻應(yīng)變片。
[0010] 進(jìn)一步地，所述電阻應(yīng)變片至少為兩個(gè)，所述電阻應(yīng)變片串聯(lián)構(gòu)成全橋電路。
[0011] 進(jìn)一步地，所述防水外殼內(nèi)還包括信號(hào)處理裝置和信號(hào)線；所述信號(hào)處理裝置第 一端與所述固定支座的第二端連接；所述信號(hào)線的第一端與所述信號(hào)處理裝置的第二端連 接。
[0012] 進(jìn)一步地，所述信號(hào)處理裝置包括順次級(jí)聯(lián)的前置放大電路、增益控制電路、USB 接口數(shù)據(jù)采集電路和電源電路；所述前置放大電路用于放大所述=維測力傳感器輸出的應(yīng) 變信號(hào)；所述增益控制電路用于控制所述前置放大電路的放大倍數(shù)；所述USB接口數(shù)據(jù)采 集電路用于采集放大后的所述應(yīng)變信號(hào)；所述電源電路用于為所述增益控制電路、所述前 置放大電路和所述=維測力傳感器供電。
[0013] 進(jìn)一步地，所述測力桿與所述防水外殼之間設(shè)有防水膜。
[0014] 本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
[0015] (1)采用接觸式測量方法，無需W光或聲波作為信號(hào)，避免了水流不透光或顆粒漫 反射等因素對(duì)測量信號(hào)的干擾，因而可應(yīng)用于任意濃度含沙水流的測量。
[0016] (2) S維測力傳感器使用S組相互正交的懸臂梁分別測力，避免力分量之間的相 互干擾，實(shí)現(xiàn)了=維流速分量的獨(dú)立同步測量。
[0017] (3)在高自振頻率測力桿及=維測力傳感器的配合下，本發(fā)明的=維渾水脈動(dòng)流 速儀的采樣頻率大于200Hz，可有效測得明渠含沙水流的S維脈動(dòng)信息。
[0018] (4)本發(fā)明的S維渾水脈動(dòng)流速儀的生產(chǎn)成本約為2萬元人民幣，顯著低于市售 ADV，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的=維渾水脈動(dòng)流速儀整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的S維測力傳感器示意圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明的S維渾水脈動(dòng)流速儀剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明W 及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解， 構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
[0023] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，結(jié)合附圖和具體實(shí)施方 式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0024] 實(shí)施例姻圖1至圖3所示，本實(shí)施例提供一種立維渾水脈動(dòng)流速儀，包括立維測 力傳感器1、防水外殼2和測力桿3 ;防水外殼2包括第一部件24和第二部件25 ;第一部件 24的第一端與第二部件25的第一端連接；第一部件24的第二端設(shè)有測量孔22 ;第二部件 25的第二端設(shè)有出線孔23 ;防水外殼2整體高110mm、寬30mm、厚8mm，豎軸橫截面由邊長 8mm的正方形和前后兩個(gè)直徑8mm的半圓拼接而成，豎軸上端預(yù)留線纜孔21用于鋪設(shè)信號(hào) 線；橫軸為直徑8mm的圓柱，橫軸末端迎水面為直徑8mm的半球面。
[0025] =維測力傳感器1設(shè)在第一部件24與第二部件25的連接處；=維測力傳感器1 包括固定支座11、第一彈性梁14和第二彈性梁16 ;固定支座11的第一端連接第一彈性梁 14的第一端；第一彈性梁14的第二端垂直連接第二彈性梁16的第一端；固定支座11、第 一彈性梁14和第二彈性梁16均設(shè)有圓形通孔；第一彈性梁14的第一端橫向設(shè)有第一方形 通孔12形成懸臂梁，第一彈性梁的第二端縱向設(shè)有第二方形通孔13形成懸臂梁，第二彈性 梁16的中部設(shè)有第=方形通孔15形成懸臂梁；第一方形通孔12、第二方形通孔13和第= 方形通孔內(nèi)15均設(shè)有電阻應(yīng)變片；每組懸臂梁均由相互平行的兩根梁組成，每根梁的內(nèi)側(cè) 粘貼一只電阻應(yīng)變片，每組梁的一對(duì)應(yīng)變片串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)全橋電路；當(dāng)彈性梁受力時(shí)，由于 =組懸臂梁相互正交，某一方向的一組懸臂梁只感應(yīng)對(duì)應(yīng)方向的作用力，而不受另外兩個(gè) 方向作用力的影響。懸臂梁的變形量由電阻應(yīng)變片電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出，分別測量S個(gè)電 路的電壓變化實(shí)現(xiàn)=維測力，如圖2所示坐標(biāo)系中，第二方形通孔13、第一方形通孔12和 第S方形通孔內(nèi)15分別感應(yīng)X、y、Z方向的力。本實(shí)施例的S維測力傳感器1寬18mm、高 30mm、厚4mm，每根懸臂梁的尺寸均為長8mm、寬4mm、厚0. 2mm。
[0026] 第二彈性梁16的圓形通孔內(nèi)插入測力桿3 ;測力桿3穿過防水外殼2與S維測力 傳感器1連接；測力桿3包括測力球31和連接桿32 ;連接桿32的第一端與測力球31連接； 連接桿32的第二端穿過測量孔22與安裝支座16連接，連接桿長20mm、直徑2mm，測力球直 徑 5mm。
[0027] 連接桿32與第一部件24之間設(shè)有防水膜4,防水膜4為柔性薄膜，薄膜兩端分別 與測量孔22四周的防水外殼2和測力桿3表面環(huán)繞粘接，粘接完成后膠膜處于自由變形狀 態(tài)，既具有密封防水作用，又不影響測力桿傳力；防水膜4由熱烙密封膠膜在高溫下與防水 外殼2及測力桿3分別粘接而成。
[002引防水外殼2內(nèi)還包括信號(hào)處理裝置5,信號(hào)處理裝置5第一端與固定支座11的第 二端連接；信號(hào)處理裝置5包括順次級(jí)聯(lián)的前置放大電路51、增益控制電路52、USB接口數(shù) 據(jù)采集電路53和電源電路54 ;前置放大電路51用于放大=維測力傳感器1輸出的應(yīng)變信 號(hào)；增益控制電路52用于控制前置放大電路51的放大倍數(shù)；USB接口數(shù)據(jù)采集電路53用 于采集放大后的應(yīng)變信號(hào)；電源電路54用于為增益控制電路52、前置放大電路51和=維 測力傳感器1供電；防水外殼內(nèi)還包括信號(hào)線，信號(hào)線第一端穿過出線孔與信號(hào)處理裝置5 第二端連接。
[0029] 本實(shí)施例采用的測速軟件由VC++語言編寫而成，其作用是讀取信號(hào)處理模塊5 返回的應(yīng)變信號(hào)，按已知的換算關(guān)系實(shí)時(shí)計(jì)算水流流速，并對(duì)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和存 儲(chǔ)。
[0030] 本發(fā)明所述=維渾水流速儀的測速原理為：
[0031] 根據(jù)流體力學(xué)基本知識(shí)，將球體置于水流中時(shí)，水流由于被阻礙而減速分離，繞球 體四周流動(dòng)，球體被水流施加阻力：
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 包括三維測力傳感器、防水外殼和測力桿； 所述三維測力傳感器設(shè)在所述防水外殼內(nèi)； 所述測力桿穿過所述防水外殼與所述三維測力傳感器連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 所述防水外殼包括第一部件和第二部件； 所述第一部件的第一端與所述第二部件的第一端連接； 所述第一部件的第二端設(shè)有測量孔； 所述第二部件的第二端設(shè)有出線孔； 所述三維測力傳感器設(shè)在所述第一部件與所述第二部件的連接處。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 所述三維測力傳感器包括固定支座、第一彈性梁、第二彈性梁和電阻應(yīng)變片； 所述固定支座的第一端連接所述第一彈性梁的第一端； 所述第一彈性梁的第二端垂直連接所述第二彈性梁的第一端； 所述電阻應(yīng)變片設(shè)在所述第一彈性梁和所述第二彈性梁內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 所述測力桿包括測力球和連接桿； 所述連接桿的第一端與所述測力球連接； 所述連接桿的第二端與所述三維測力傳感器連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 所述固定支座、第一彈性梁和第二彈性梁均設(shè)有圓形通孔； 所述第二彈性梁的圓形通孔內(nèi)插入所述測力桿； 所述第一彈性梁的第一端橫向設(shè)有第一方形通孔； 所述第一彈性梁的第二端縱向設(shè)有第二方形通孔； 所述第二彈性梁的中部設(shè)有第三方形通孔； 所述第一方形通孔、第二方形通孔和第三方形通孔內(nèi)均設(shè)有電阻應(yīng)變片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 所述電阻應(yīng)變片至少為兩個(gè)，所述電阻應(yīng)變片串聯(lián)構(gòu)成全橋電路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)中所述的三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 所述防水外殼內(nèi)還包括信號(hào)處理裝置和信號(hào)線； 所述信號(hào)處理裝置第一端與所述固定支座的第二端連接； 所述信號(hào)線的第一端與所述信號(hào)處理裝置的第二端連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 所述信號(hào)處理裝置包括順次級(jí)聯(lián)的前置放大電路、增益控制電路、USB接口數(shù)據(jù)采集電 路和電源電路； 所述前置放大電路用于放大所述三維測力傳感器輸出的應(yīng)變信號(hào)； 所述增益控制電路用于控制所述前置放大電路的放大倍數(shù)； 所述USB接口數(shù)據(jù)采集電路用于采集放大后的所述應(yīng)變信號(hào)； 所述電源電路用于為所述增益控制電路、所述前置放大電路和所述三維測力傳感器供 電。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)中所述的三維渾水脈動(dòng)流速儀，其特征在于， 所述測力桿與所述防水外殼之間設(shè)有防水膜。
【文檔編號(hào)】G01P5/02GK104502625SQ201410681860
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】陳啟剛, 齊梅蘭, 王興奎 申請人:北京交通大學(xué)