本發(fā)明涉及風(fēng)速測量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種基于壓電片的風(fēng)速信號采集方法及裝置。
背景技術(shù)：
：壓電材料是實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，是一類對機、電、聲、光、熱敏感的電子材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)部門和高科技領(lǐng)域。其中最為廣泛應(yīng)用的是PZT和PVDF，PZT的頻率常數(shù)要大于PVDF，所以可以根據(jù)環(huán)境風(fēng)速的大小來選擇適應(yīng)的壓電材料。聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜是一種高性能、低成本的高分子壓電材料，具有質(zhì)量輕(膜片厚度可達微米級)、輸出響應(yīng)速度快(可達ns級)、靈敏度高(在0～20GPa范圍內(nèi)均能實現(xiàn)穩(wěn)定輸出)、安裝方便(可直接貼附在被測物體表面)等突出優(yōu)點。由于PVDF薄膜能夠方便、快捷、精確地測量彈性體的形變，因而在聲學(xué)及振動測量方面具有較高的應(yīng)用價值，其應(yīng)用范圍涉及工程、科研及醫(yī)療等領(lǐng)域。沖擊射流非穩(wěn)定性是在剪切層非穩(wěn)定性、渦脫落以及聲反饋等因素的共同作用下產(chǎn)生的，它與射流速度、噴管出口與尖楔之間的距離等因素有關(guān)。這類現(xiàn)象存在于大量不同的流體機構(gòu)中，如邊棱音、環(huán)音、孔音、凹腔流動等等。由于涉及湍流、漩渦流動、聲輻射等復(fù)雜現(xiàn)象，目前針對該類非穩(wěn)定流動現(xiàn)象的內(nèi)在機理研究仍然是流體力學(xué)學(xué)科的前沿課題,但多年的研究使人們已經(jīng)能夠?qū)@類現(xiàn)象進行定性地、半經(jīng)驗地分析。Brackenridge等人對水射流簧片哨的研究發(fā)現(xiàn)，射流與彈性簧片的耦合振動表現(xiàn)為振動頻率對簧片固有頻率的捕獲特性，而這種耦合振動要比單純的射流振動有更高的強度。目前，常見的風(fēng)速測量主要有有以下幾種：1、如國內(nèi)專利申請?zhí)朇N104297517A，一種基于PVDF傳感器的風(fēng)速測量儀，其應(yīng)用到高壓電纜上的風(fēng)速測量，對分析電纜的受力、風(fēng)速等有一定的依據(jù)，但使用局限性太大。2、國內(nèi)專利申請?zhí)朇N201310176418.3，采用螺旋槳風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，其結(jié)構(gòu)特點是在環(huán)境中適用性強、操作簡單，但有轉(zhuǎn)動部件易磨損，這種轉(zhuǎn)動慣性會降低響應(yīng)風(fēng)速。3、國內(nèi)專利申請?zhí)朇N201310107907.3，采用熱敏電阻式風(fēng)速傳感器，其結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)簡單可靠，能測較低風(fēng)速，但熱敏電阻在使用過程中不能保證工作狀態(tài)一致，會對精度造成一定的影響。4、目前經(jīng)常使用的熱線風(fēng)速傳感器，由于熱線的直徑通常是μm級，這就造成加工難度大，且在使用過程中極易損壞。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種精度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的基于壓電材料的風(fēng)速信號采集方法及裝置。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于壓電材料的風(fēng)速信號采集方法，包括壓電片、夾片、支架和引線：首先，所述壓電片帶有引線的一端通過夾片固定于支架，另一端為自由端；壓電片的自由端與風(fēng)源相向，且壓電片所在平面平行于風(fēng)向；其次，所述壓電片的自由端受到氣流剪切層撞擊后產(chǎn)生振動，根據(jù)不同的風(fēng)速得到不同的電壓；壓電片產(chǎn)生的電壓通過引線輸出至示波器進行顯示；最后，根據(jù)示波器顯示的電壓與對應(yīng)風(fēng)速之間的關(guān)系，進行擬合得到風(fēng)速測量函數(shù)。進一步地，所述壓電片根據(jù)不同風(fēng)速范圍選擇，當風(fēng)速為0～50m/s時選擇PVDF，風(fēng)速為50～200m/s時選擇PZT。進一步地，所述支架與夾片通過螺栓螺母連接。進一步地，所述根據(jù)不同的風(fēng)速得到不同的電壓，其中風(fēng)速通過皮托管測量得到。一種基于壓電材料的風(fēng)速信號采集裝置，包括壓電片、夾片、支架和引線，所述壓電片帶有引線的一端通過夾片固定于支架，另一端為自由端；壓電片的自由端與風(fēng)源相向，且壓電片所在平面平行于風(fēng)向；所述壓電片的自由端受到氣流剪切層撞擊后產(chǎn)生振動，根據(jù)不同的風(fēng)速得到不同的電壓；壓電片產(chǎn)生的電壓通過引線輸出至示波器進行顯示。進一步地，所述壓電片根據(jù)不同風(fēng)速范圍選擇，當風(fēng)速為0～50m/s時選擇PVDF，風(fēng)速為50～200m/s時選擇PZT。進一步地，所述支架與夾片通過螺栓螺母連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：(1)利用壓電材料作為采集風(fēng)速的傳感器，先根據(jù)不同的風(fēng)速范圍，選擇不同的壓電材料，再在每種范圍內(nèi)制成不同尺寸的壓電材料，由于尺寸不同對應(yīng)不同的諧振風(fēng)速范圍，使之在較小范圍內(nèi)達到精確測量的目的；(2)利用壓電材料作為傳感器，無葉輪、轉(zhuǎn)軸等活動零件，結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、易于實現(xiàn)；(3)裝置采用懸臂梁式布局且完全沉浸在流場之中，可使臨界風(fēng)速降低，壓電元件實現(xiàn)較為規(guī)律的振動，電壓信號輸出較為穩(wěn)定。附圖說明圖1是本發(fā)明基于壓電材料的風(fēng)速信號采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明基于壓電材料的風(fēng)速信號采集裝置的實施布置示意圖。圖3是本發(fā)明實施實例風(fēng)速13m/s時輸出電壓變化波形圖。圖4是本發(fā)明實施實例風(fēng)速16m/s時輸出電壓變化波形圖。圖5是本發(fā)明實施實例有效電壓值變化規(guī)律圖。具體實施方式為了進一步闡明本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和具體實施例進行詳細說明。本發(fā)明提出的基于壓電片的風(fēng)速信號采集方法，是利用風(fēng)致振動機理，包括壓電片、專用夾具等。當來流遇到壓電片的自由端，即由流體剪切層撞擊到下游物體時，通過流體誘發(fā)壓電材料諧振。諧振時由于壓電效應(yīng)壓電片內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在壓電元件的兩個相對表面產(chǎn)生交替變化的正負相反的電荷，為此不同的風(fēng)速產(chǎn)生電壓不同，通過測量壓電片的電壓便可得到對應(yīng)的風(fēng)速。這種利用利用壓電材料對射流風(fēng)速采集，無轉(zhuǎn)軸、葉輪、諧振腔等活動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在無人機、以及便攜式器件都具有可能的應(yīng)用前景。如圖1所示是本發(fā)明基于壓電材料的風(fēng)速信號采集方法，包括壓電片1、夾片2、支架3和引線4：首先，所述壓電片1帶有引線4的一端通過夾片2固定于支架3，另一端為自由端；壓電片1的自由端與風(fēng)源相向，且壓電片1所在平面平行于風(fēng)向；其次，所述壓電片1的自由端受到氣流剪切層撞擊后產(chǎn)生振動，根據(jù)不同的風(fēng)速得到不同的電壓；壓電片1產(chǎn)生的電壓通過引線4輸出至示波器進行顯示；最后，根據(jù)示波器顯示的電壓與對應(yīng)風(fēng)速之間的關(guān)系，進行擬合得到風(fēng)速測量函數(shù)。進一步地，所述壓電片1根據(jù)不同風(fēng)速范圍選擇，當風(fēng)速為0～50m/s時選擇PVDF，風(fēng)速為50～200m/s時選擇PZT。進一步地，所述支架3與夾片2通過螺栓螺母連接。進一步地，所述根據(jù)不同的風(fēng)速得到不同的電壓，其中風(fēng)速通過皮托管測量得到。一種基于壓電材料的風(fēng)速信號采集裝置，包括壓電片1、夾片2、支架3和引線4，所述壓電片1帶有引線4的一端通過夾片2固定于支架3，另一端為自由端；壓電片1的自由端與風(fēng)源相向，且壓電片1所在平面平行于風(fēng)向；所述壓電片1的自由端受到氣流剪切層撞擊后產(chǎn)生振動，根據(jù)不同的風(fēng)速得到不同的電壓；壓電片1產(chǎn)生的電壓通過引線4輸出至示波器進行顯示。進一步地，所述壓電片1根據(jù)不同風(fēng)速范圍選擇，當風(fēng)速為0～50m/s時選擇PVDF，風(fēng)速為50～200m/s時選擇PZT。進一步地，所述支架3與夾片2通過螺栓螺母連接。本發(fā)明是利用沖擊射流的非穩(wěn)定性的振動機理，當射流遇到PVDF壓電薄膜傳感器，由流體力學(xué)可知凡是有固體與流體的相對運動就會搓出渦，正是這種渦導(dǎo)致壓電片振動。對于不同尺寸的壓電材料，需要的諧振風(fēng)速范圍的大小不同，且在諧振時，風(fēng)速和電壓值呈現(xiàn)較為規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系。實施例1在本實施例中，如圖2所示，包括壓電片1、夾片2、支架3和引線4，所述壓電片1帶有引線4的一端通過夾片2固定于支架3，另一端為自由端；壓電片1的自由端與風(fēng)源相向，且壓電片1所在平面平行于風(fēng)向；所述壓電片1的自由端受到氣流剪切層撞擊后產(chǎn)生振動，根據(jù)不同的風(fēng)速得到不同的電壓；壓電片1產(chǎn)生的電壓通過引線4輸出至示波器進行顯示。整個裝置通過支架3固定于底板6上面，入風(fēng)口處接有模擬自然風(fēng)的風(fēng)源5，風(fēng)速可控范圍大小為0～20m/s。風(fēng)源啟動流體剪切層(射流或混合層)撞擊到下游PVDF壓電片時，會誘導(dǎo)PVDF壓電片振動，在此振動的激勵下由于壓電效應(yīng)，PVDF壓電片就會有電壓輸出。1、所述的壓電片1采用PVDF壓電片，是由MEAS公司生產(chǎn)的，該壓電片1特點是頻率范圍寬、彈性柔度高、高電壓輸出(當壓力輸入相同時，輸出電壓是壓電陶瓷的10倍)。壓電片1一端被夾片2固定連接，另一端沉浸在實驗室的小型風(fēng)洞中，可調(diào)節(jié)風(fēng)速范圍為0～20m/s，用螺栓螺母固定于底板6上；2、支架3可根據(jù)風(fēng)洞的大小來設(shè)計高低，使之完全沉浸在射流中央，并與來流較好耦合；壓電片1高度與圓形氣源出口中心保持一致。3、支架3和夾片2通過焊接連接，上下夾片通過螺栓螺母連接，使之夾住壓電片1；壓電片1是流固耦合的核心元件，采用懸臂梁式，由于應(yīng)用于自然風(fēng)風(fēng)速，較宜采用柔性壓電材料如PVDF。如圖2所示，是具體實施中的實驗示意圖，具體的參數(shù)可見表1。如圖3所示是當風(fēng)速為13m/s時，PVDF壓電片距離風(fēng)源出口10cm時，電壓波形圖實現(xiàn)規(guī)律輸出。同樣圖4是風(fēng)速為16m/s輸出的電壓波形圖。(需要說明的是，由于量程選擇，顯示的電壓輸出值需乘10。)表1實驗裝置一組設(shè)計參數(shù)表2壓電片的一組參數(shù)壓電元件長度(mm)寬度(mm)厚度(mm)電容(nF)供應(yīng)商LDT1-28K41160.201.38MEAS在具體施實例中，可根據(jù)具體的應(yīng)用要求采用相應(yīng)的尺寸。如表1～2列出了整個實驗裝置一組設(shè)計參數(shù)，底板6、支架3和夾片2采用不銹鋼材料，支架3和夾片2焊接，兩夾片通過螺栓連接，引線4外連接負載為2.41MΩ，通過功率放大器顯示電壓的有效值，并直接讀取，并采用Origin擬合函數(shù)得到如圖5所示，得到函數(shù)公式為：其中A＝2612.354、W＝28.56419、vc＝18.75208、u0＝-64.5875都為常量，U為電壓，V為風(fēng)速。由此可以看出，當風(fēng)速達到使壓電片發(fā)生諧振時，電壓和風(fēng)速之間的規(guī)律性較為明顯。風(fēng)源采用300W的無級變速鼓風(fēng)機，風(fēng)速范圍在0～20m/s，可以滿足實驗風(fēng)速需求，也可用其他器件代替。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式進行的進一步詳細說明，并不能認定本發(fā)明具體實施只局限于這些說明。在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的前提下，還可以做出若干的推演和替換，都視為屬于本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3