【陈少坤】三维薄膜式风速风向传感器的设计研究_23页_3mb

三维薄膜式风速风向传感—设计研究一总结

核心内容

三维薄膜式风速风向传感器是一种新型的风速风向检测装置，其设计基于圆柱形薄膜结构，通过应变片测量薄膜的应变来反映风速与风向的变化。相比传统的机械式和光电式传感器，该设计具有成本低、量程大、适用环境广等优势。

主要观点

• 结构设计：采用圆柱形薄膜结构，确保在不同风向下受力的一致性。应变片均匀布置在薄膜周围，以测量应变反应风速，补偿应变片用于消除温度和环境干扰。
• 测量原理：通过薄膜在风荷载作用下的变形情况，结合应变片的输出信号，实现对风速和风向的测量。
• 模型简化：将风荷载作用下的圆柱薄膜受力模型简化为二维的单圆柱绕流模型，以提高计算效率和测量准确性。
• 数据拟合：使用MATLAB对不同风速和风向角度下的应变数据进行拟合，选择最佳拟合函数以提高测量精度。
• 成本优势：与超声波、三杯式和风标式传感器相比，该设计成本显著降低，约357元，具有良好的市场竞争力。
• 量程范围：传感器的量程范围广泛，从0.0044 m/s到43.8 m/s，适用于多种风速场景。
• 环境适应性：具备良好的密封性，可在空气中和水中工作，适用于多种复杂环境。
• 专利信息：该设计已获得国家知识产权局授予的发明专利权，具备法律保护。

关键信息

风速与应变关系

• 风速设置为1、2、3、4、5、10、20、30、35 m/s时，对应的最小拉应力分别为0.01、0.02、0.3、0.4、0.7、4.7、32、83、96 Pa。
• 应变与风速的关系公式为：
  $$
  \gamma_1 V = 5.181 \varepsilon E
  $$
  其中，V为风速，$\varepsilon$为最小拉应变，E为弹性模量，$\gamma_1$为风速修正系数。

风向与应变关系

• 以迎风面为0°方向，背风面为180°方向，两侧对称角度为因变量。
• 应变与风向角度的拟合公式为：
  $$
  2.104 \left( \frac{\varepsilon_1}{\varepsilon} \right)^{1.777} + 136 = 1
  $$
  其中，$\theta$为角度，$\varepsilon$为最小拉应变，$\varepsilon_1$为邻近应变值，$\gamma_2$为风向修正系数。

拟合结果

误差分析与补偿

• 使用八个测量应变片和一个补偿应变片，通过惠斯通1/4桥电路进行测量，以提高测量精度。
• 补偿应变片粘贴在内薄膜上，用于消除温度和环境对测量的干扰。

实际应用

• 通过螺旋圆柱支撑调节薄膜松紧，确保初始应变为零，便于后续校准。
• 传感器的结构设计符合有限元仿真分析的边界条件，具有良好的工程适用性。

应用与展望

• 适用范围：适用于亚临界区（Re < 3 × 10⁵），阻力系数稳定，适用于多种风速和风向场景。
• 未来方向：需进一步考虑薄膜在风场下的自身挠度变形，以提高测量精度。
• 市场前景：该传感器具有成本低、量程大、适用环境广等优势，未来有望在新能源领域广泛应用。

公司简介

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