一種可測上升流的三維海流傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種可測上升流的三維海流傳感器，其是以圓筒形殼體為總支撐，設(shè)置水平力測量單元和垂直力測量單元；水平力測量單元包括球殼、連接桿、圓盤形中心臺以及四根水平測量彈性梁，球殼設(shè)于殼體的上方，連接桿的上端與球殼固聯(lián)，下端伸入殼體的內(nèi)腔與中心臺固聯(lián)；四根水平測量彈性梁同處在一個平面上并呈十字形排布；各水平測量彈性梁的兩端分別與中心臺的外周及殼體的內(nèi)壁固聯(lián)，在各水平測量彈性梁的上下面上設(shè)置有第一應(yīng)變片；垂直力測量單元包括兩個水平布置的圓盤以及兩個垂直力放大機(jī)構(gòu)，兩個圓盤分別固聯(lián)在兩個垂直力放大機(jī)構(gòu)的外伸臂前端并對稱處于殼體的外部兩側(cè)；在殼體內(nèi)的垂直力放大機(jī)構(gòu)上設(shè)有獲得圓盤所受力的第二應(yīng)變片。
【專利說明】—種可測上升流的三維海流傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本實(shí)用新型涉及一種可測上升流的三維海流傳感器。
【背景技術(shù)】:
[0002]流速是流體的一個重要基本參數(shù)，流速測量一直備受關(guān)注，如海洋流場的實(shí)時監(jiān)測和測量是海洋科學(xué)考察的重要內(nèi)容，海洋水體的運(yùn)動是和引起全球氣候反常的厄爾尼諾等現(xiàn)象密切聯(lián)系的，實(shí)時監(jiān)測海流變化，可以對氣候進(jìn)行及時預(yù)測，提出防范規(guī)則。在海洋、海流和大氣層中，液體和氣體流體的流速往往以三維矢量的形式呈現(xiàn)，并且各維間流速分量的大小也往往存在較大差異，如海洋中上升流的流速大小有時甚至是水平流的百分之一或千分之一。然而，雖然流速測量儀器種類繁多，各具特色，應(yīng)用于不同的流速測量中；但是目前的畢托管式差壓流速傳感器、機(jī)械式轉(zhuǎn)子流速傳感器、電磁式流速傳感器、熱式流速傳感器、多普勒聲學(xué)流速傳感器以及Piv粒子成像測速儀等，或測量精度難以提高，或存在轉(zhuǎn)動部件，或難以滿足三維流速的測量，或成本較高價格昂貴，或?qū)ぷ鳝h(huán)境有特殊要求；對于較小流速的測量，目前還缺少較好的辦法，現(xiàn)有的兩種主要方式是:通過投放電解質(zhì)后觀察水流中電解質(zhì)低阻帶來獲得流速的大小和方向的充電法，通過投放放射性同位素后測量放射性探測器的計數(shù)獲得流速的大小和方向的同位素示蹤法，這兩種方法均存在操作不變，精度不高的問題，對各維間流速分量大小存在較大差異的三維流速測量更是難以勝任。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的三維流速傳感器。
[0004]本實(shí)用新型解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種可測上升流的三維海流傳感器，是以圓筒形殼體為總支撐，設(shè)置水平力測量單元和垂直力測量單元；
[0006]所述水平力測量單元包括球殼、連接桿、圓盤形中心臺以及四根水平測量彈性梁，所述球殼設(shè)于所述殼體的上方，處于殼體軸線上的所述連接桿的上端與所述球殼固聯(lián)，連接桿的下端伸入殼體的內(nèi)腔與所述中心臺的中心固聯(lián)；所述四根水平測量彈性梁同處在一個垂直于殼體軸線的平面上并以殼體軸線為中心呈十字形排布；各水平測量彈性梁的兩端分別與中心臺的外周及殼體的內(nèi)壁固聯(lián)，并在各水平測量彈性梁的上下面上設(shè)置有第一應(yīng)變片；
[0007]所述垂直力測量單元包括兩個水平布置的圓盤以及兩個垂直力放大機(jī)構(gòu)，各所述垂直力放大機(jī)構(gòu)的主體設(shè)于所述殼體內(nèi)，各垂直力放大機(jī)構(gòu)的外伸臂穿過所述殼體并與殼體壁之間具有間隙，所述兩個圓盤分別固聯(lián)在兩個外伸臂前端并對稱處于殼體的外部兩側(cè)；
[0008]在殼體內(nèi)的垂直力放大機(jī)構(gòu)主體上設(shè)有獲得圓盤所受力的第二應(yīng)變片。
[0009]各所述垂直力放大機(jī)構(gòu)包括呈倒山字形的支架、水平設(shè)置的一個一級杠桿、兩個二級杠桿、兩個三級杠桿，所述倒山字形的支架具有中柱，對稱處于所述中柱兩側(cè)的兩個側(cè)柱，兩個側(cè)柱與中柱之間通過兩個橫梁固聯(lián)；所述一級杠桿的重心通過支撐鉸鏈與所述中柱的底端連接，所述兩個二級杠桿的重心各自通過支撐鉸鏈與兩個側(cè)柱的底端連接，所述兩個三級杠桿的重心各自通過支撐鉸鏈與兩個橫梁的底面連接；
[0010]各所述杠桿以其重心為界分為長臂和短臂，各杠桿的短臂均設(shè)有配重，所述一級杠桿的長臂即是垂直力放大機(jī)構(gòu)的外伸臂；
[0011]緊靠所述中柱的兩側(cè)設(shè)有兩根一級連桿，各一級連桿的兩端分別通過連接鉸鏈與二級杠桿的長臂和一級杠桿柔性連接；緊靠所述支架的兩個側(cè)柱內(nèi)側(cè)設(shè)有兩根二級連桿，各二級連桿的兩端分別通過連接鉸鏈與三級杠桿的長臂和二級杠桿柔性連接；兩根二級杠桿、兩根三級杠桿、兩根一級連桿、兩根二級連桿均以所述中柱為軸呈軸對稱分布；
[0012]兩根三級杠桿的短臂與所述中柱固聯(lián)或通過微動平臺與所述中柱連接，并在三級杠桿的短臂上開孔使其構(gòu)成垂直測量彈性梁，各所述垂直測量彈性梁上設(shè)有第二應(yīng)變片；
[0013]所述倒山字形支架與所述殼體的內(nèi)壁固聯(lián)。
[0014]一種上述三維海流傳感器進(jìn)行測量上升流和水平流的測量方法，是按以下方式實(shí)現(xiàn)上升流和水平流的三維流速、流向測量:
[0015]在三維水流中，球殼會受到水平流產(chǎn)生的兩維水平作用力，該兩維水平作用力通過連接桿和中心臺對成十字形的水平測量彈性梁產(chǎn)生兩維力矩，布置在兩個方向上的水平測量彈性梁上下面的第一應(yīng)變片分別受到拉應(yīng)力或壓應(yīng)力；根據(jù)一個方向上的第一應(yīng)變片構(gòu)成的電橋便可以獲得該方向上的力矩，由兩個方向的力矩便可以合成兩維的力矩大小和方向，根據(jù)該力矩就可以反求出水平作用力的大小和方向，根據(jù)標(biāo)定的水平作用力和流速間關(guān)系便可以獲得水平流速的大小和方向；
[0016]在三維水流中，除了存在水平流，還存在上升流，所以三維水流相對水平布置的圓盤形成攻角，三維水流會對圓盤不僅產(chǎn)生水平阻力，還會產(chǎn)生升力，一級杠桿的長臂即外伸臂相當(dāng)長，所以通過一級杠桿，升力便可以得到明顯放大，再通過二級杠桿、三級杠桿的連續(xù)放大，則升力通過垂直力放大機(jī)構(gòu)便可以產(chǎn)生三級力放大效應(yīng)；最后作用力作用在垂直測量彈性梁上，布置在垂直測量彈性梁上、下的第二應(yīng)變片便會受到拉應(yīng)力、壓應(yīng)力；通過第二應(yīng)變片構(gòu)成的電橋便可以獲得最后的作用力，通過標(biāo)定的垂直力放大機(jī)構(gòu)便能夠得到升力的大小，升力和水平流速和上升流的大小都有關(guān)系，所以，可以結(jié)合水平流速測量的結(jié)果，根據(jù)標(biāo)定的升力和上升流、水平流的關(guān)系，由升力獲得上升流的大小。
[0017]與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在:
[0018]1、本實(shí)用新型利用球殼的繞流阻力測量水平流速，利用圓盤所受的升力測量垂直流速，結(jié)構(gòu)簡單，對水平流速和上升流的測量更加敏感。
[0019]2、本實(shí)用新型可以消除重力和浮力的影響，實(shí)現(xiàn)精確的三維流速的測量。
[0020]3、本實(shí)用新型水平力測量單元和垂直力測量單元相互分開，既可以測量水平流速，又可以通過放大機(jī)構(gòu)，滿足維間流速差異較大的流速測量，保證微小上升流的測量。
[0021]4、本實(shí)用新型各維方向上的流速測量，均無運(yùn)動部件，無磨損，工作可靠，使用壽命較長，測量精度高。
[0022]5、本實(shí)用新型水平測量中的各組彈性梁的布置方式，可以使得各彈性梁的維間耦合較小，較好地獲得水平方向上的流速的大小和方向。[0023]6、利用水平流速大小和升力大小，便可以獲得上升流的流速大小，計算方法簡單。
[0024]7、利用兩個圓盤測量，可以消除圓筒形殼體總支撐的影響，保證了上升流的測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0025]圖1為本實(shí)用新型的整體外形圖，圖2為本實(shí)用新型的水平流速測量單元的放大圖，圖3為本實(shí)用新型的垂直流速測量單元，圖4為本實(shí)用新型的垂直流速測量單元的局部放大圖。
[0026]圖中標(biāo)號:1殼體，2球殼，3連接桿，4中心臺，5水平測量彈性梁，6第一應(yīng)變片，7圓盤，8第二應(yīng)變片，9支架，10 —級杠桿，11 二級杠桿，12三級杠桿，13支撐鉸鏈，14 一級連桿，15連接鉸鏈，16 二級杠桿，17垂直測量彈性梁，91中柱，92側(cè)柱，93橫梁。
[0027]以下通過【具體實(shí)施方式】，并結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
【具體實(shí)施方式】:
[0028]實(shí)施例:結(jié)合圖1-4，本實(shí)施例的可測上升流的三維海流傳感器，其是以圓筒形殼體I為總支撐，設(shè)置有水平力測量單元和垂直力測量單元；
[0029]其中，水平力測量單元包括球殼2、連接桿3、圓盤形中心臺4以及四根水平測量彈性梁5，球殼2設(shè)于殼體I的上方，處于殼體I軸線上的連接桿3的上端與球殼2固聯(lián)，連接桿3的下端伸入殼體的內(nèi)腔與中心臺4的中心固聯(lián)；四根水平測量彈性梁同處在一個垂直于殼體軸線的平面上并以殼體軸線為中心呈十字形排布；各水平測量彈性梁5的兩端分別與中心臺的外周及殼體的內(nèi)壁固聯(lián)，并在各水平測量彈性梁的上下面上設(shè)置有第一應(yīng)變片6。
[0030]垂直力測量單元包括兩個水平布置的圓盤7以及兩個垂直力放大機(jī)構(gòu)，各垂直力放大機(jī)構(gòu)的主體設(shè)于殼體I內(nèi)，各垂直力放大機(jī)構(gòu)的外伸臂穿過殼體I并與殼體壁之間具有間隙，兩個圓盤7分別固聯(lián)在兩個外伸臂前端并對稱處于殼體I的外部兩側(cè)。
[0031]在殼體內(nèi)的垂直力放大機(jī)構(gòu)主體上設(shè)有獲得圓盤所受力的第二應(yīng)變片8。
[0032]各垂直力放大機(jī)構(gòu)包括呈倒山字形的支架9、水平設(shè)置的一個一級杠桿10、兩個二級杠桿11、兩個三級杠桿12，其中，倒山字形的支架具有中柱91，對稱處于中柱91兩側(cè)的兩個側(cè)柱92，兩個側(cè)柱與中柱之間通過兩個橫梁93固聯(lián)；一級杠桿10的重心通過支撐鉸鏈13與中柱的底端連接，兩個二級杠桿11的重心各自通過支撐鉸鏈與兩個側(cè)柱92的底端連接，兩個三級杠桿12的重心各自通過支撐鉸鏈與兩個橫梁93的底面連接。
[0033]各杠桿以其重心為界分為長臂和短臂，各杠桿的短臂均設(shè)有配重，其中，一級杠桿的長臂即是垂直力放大機(jī)構(gòu)的外伸臂，用于固定連接圓盤7。
[0034]緊靠中柱91的兩側(cè)設(shè)有兩根一級連桿14，各一級連桿14的兩端分別通過連接鉸鏈15與二級杠桿的長臂和一級杠桿柔性連接；緊靠支架的兩個側(cè)柱92內(nèi)側(cè)設(shè)有兩根二級連桿16，各二級連桿16的兩端分別通過連接鉸鏈與三級杠桿的長臂和二級杠桿柔性連接；兩根二級杠桿、兩根三級杠桿、兩根一級連桿、兩根二級連桿均以中柱為軸呈軸對稱分布。
[0035]兩根三級杠桿的短臂與中柱固聯(lián)或通過微動平臺與中柱連接，并在三級杠桿的短臂上開孔使其構(gòu)成垂直測量彈性梁17，各垂直測量彈性梁上設(shè)有第二應(yīng)變片8 ；[0036]倒山字形支架9與殼體的內(nèi)壁固聯(lián)。
[0037]以上述的三維海流傳感器進(jìn)行測量上升流和水平流的測量方法，其是按以下方式實(shí)現(xiàn)上升流和水平流的三維流速、流向測量:
[0038]在三維水流中，球殼2會受到水平流產(chǎn)生的兩維水平作用力，該兩維水平作用力通過連接桿3和中心臺4對成十字形的水平測量彈性梁5產(chǎn)生兩維力矩，布置在兩個方向上的水平測量彈性梁5上下面的第一應(yīng)變片6分別受到拉應(yīng)力或壓應(yīng)力；根據(jù)一個方向上的第一應(yīng)變片6構(gòu)成的電橋便可以獲得該方向上的力矩，由兩個方向的力矩便可以合成兩維的力矩大小和方向，根據(jù)該力矩就可以反求出水平作用力的大小和方向，根據(jù)標(biāo)定的水平作用力和流速間關(guān)系便可以獲得水平流速的大小和方向。垂直流速較小時，其作用球殼2上的力非常小可以忽略不計，當(dāng)垂直流速非常大時，水平測量彈性梁5的第一應(yīng)變片6會感受到拉應(yīng)力、壓應(yīng)力，但是全橋電路的布置方式也可以消除其對水平流速的測量影響。所以，水平流速測量可以不受垂直流速影響。
[0039]在三維水流中，除了較大的水平流，還存在較小的上升流，所以三維水流相對水平布置的圓盤7形成攻角，三維水流會對圓盤7不僅產(chǎn)生水平阻力，還會產(chǎn)生升力，一級杠桿10的長臂即前述的外伸臂相當(dāng)長，所以通過一級杠桿10，升力便可以得到明顯放大，再通過二級杠桿11、三級杠桿12的連續(xù)放大，則升力通過垂直力放大機(jī)構(gòu)便可以產(chǎn)生三級力放大效應(yīng)；最后作用力作用在垂直測量彈性梁17上，布置在垂直測量彈性梁17上、下的第二應(yīng)變片8感便會受到拉應(yīng)力、壓應(yīng)力；通過第二應(yīng)變片構(gòu)成的電橋便可以獲得最后的作用力，通過標(biāo)定的垂直力放大機(jī)構(gòu)便能夠得到升力的大小，升力和水平流速和上升流的大小都有關(guān)系，所以，可以結(jié)合水平流速測量的結(jié)果，根據(jù)標(biāo)定的升力和上升流、水平流的關(guān)系，由升力獲得上升流的大小。水平阻力對垂直力放大機(jī)構(gòu)的一級杠桿10的支撐鉸鏈13產(chǎn)生的力臂理論上可以設(shè)計為零，所以水平阻力可以忽略不計，因此，垂直流速測量可以不受水平流速影響。當(dāng)左右兩個垂直測量彈性梁17的末端固聯(lián)，通過微動平臺與圓臺形殼體I內(nèi)壁連接的情況下，在圓盤所受升力較大時，可以移動微動平臺，使一級杠桿的調(diào)整到水平位置，提高測量精度。
[0040]重力和浮力的影響不可忽略，通過平衡配重可以調(diào)節(jié)每級杠桿的質(zhì)量中心到各級杠桿自身對應(yīng)的支撐鉸鏈處，從而消除重力和浮力的影響。
[0041]圓筒形殼體I對上升流的測量有一定影響，因?yàn)閳A筒形殼體I對流過其后的水流影響較大，對其前面的水流影響可以忽略；所以，可以用左側(cè)布置的圓盤7測量從左向右的水流的上升流，用右側(cè)布置的圓盤7測量從右向左的水流的上升流；從而，可以消除圓筒形殼體I對上升流測量的影響。
【權(quán)利要求】
1.一種可測上升流的三維海流傳感器，其特征是以圓筒形殼體(I)為總支撐，設(shè)置水平力測量單元和垂直力測量單元； 所述水平力測量單元包括球殼(2)、連接桿(3)、圓盤形中心臺(4)以及四根水平測量彈性梁(5)，所述球殼設(shè)于所述殼體(I)的上方，處于殼體軸線上的所述連接桿的上端與所述球殼固聯(lián)，連接桿的下端伸入殼體的內(nèi)腔與所述中心臺的中心固聯(lián)；所述四根水平測量彈性梁同處在一個垂直于殼體軸線的平面上并以殼體軸線為中心呈十字形排布；各水平測量彈性梁(5)的兩端分別與中心臺的外周及殼體的內(nèi)壁固聯(lián)，并在各水平測量彈性梁的上下面上設(shè)置有第一應(yīng)變片(6)； 所述垂直力測量單元包括兩個水平布置的圓盤(7 )以及兩個垂直力放大機(jī)構(gòu)，各所述垂直力放大機(jī)構(gòu)的主體設(shè)于所述殼體(I)內(nèi)，各垂直力放大機(jī)構(gòu)的外伸臂穿過所述殼體并與殼體壁之間具有間隙，所述兩個圓盤分別固聯(lián)在兩個外伸臂前端并對稱處于殼體的外部兩側(cè)； 在殼體內(nèi)的垂直力放大機(jī)構(gòu)主體上設(shè)有獲得圓盤所受力的第二應(yīng)變片(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可測上升流的三維海流傳感器，其特征在于，各所述垂直力放大機(jī)構(gòu)包括呈倒山字形的支架(9)、水平設(shè)置的一個一級杠桿(10)、兩個二級杠桿(11)、兩個三級杠桿(12)，所述倒山字形的支架具有中柱(91)，對稱處于所述中柱兩側(cè)的兩個側(cè)柱(92)，兩個側(cè)柱與中柱之間通過兩個橫梁(93)固聯(lián)；所述一級杠桿(10)的重心通過支撐鉸鏈(13)與所述中柱的底端連接，所述兩個二級杠桿(11)的重心各自通過支撐鉸鏈與兩個側(cè)柱(92)的底端連接，所述兩個三級杠桿(12)的重心各自通過支撐鉸鏈與兩個橫梁(93)的底面連接； 各所述杠桿以其重心為界分為長臂和短臂，各杠桿的短臂均設(shè)有配重，所述一級杠桿的長臂即是垂直力放大機(jī)構(gòu)的外伸臂； 緊靠所述中柱的兩側(cè)設(shè)有兩根一級連桿(14)，各一級連桿(14)的兩端分別通過連接鉸鏈(15)與二級杠桿的長臂和一級杠桿柔性連接；緊靠所述支架的兩個側(cè)柱(92)內(nèi)側(cè)設(shè)有兩根二級連桿(16)，各二級連桿(16)的兩端分別通過連接鉸鏈與三級杠桿的長臂和二級杠桿柔性連接；兩根二級杠桿、兩根三級杠桿、兩根一級連桿、兩根二級連桿均以所述中柱為軸呈軸對稱分布； 兩根三級杠桿的短臂與所述中柱固聯(lián)或通過微動平臺與所述中柱連接，并在三級杠桿的短臂上開孔使其構(gòu)成垂直測量彈性梁(17)，各所述垂直測量彈性梁上設(shè)有第二應(yīng)變片(8)； 所述倒山字形支架(9)與所述殼體的內(nèi)壁固聯(lián)。
【文檔編號】G01P5/02GK203772891SQ201420187689
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】王勇, 龍燦, 王云燕, 鮑艷艷, 胡珊珊 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)