[发明专利]力传感器及其风速测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器及其测量方法，尤其涉及一种力传感器及其风速测量方法。

背景技术

在气象、环保、工农业生产、建筑、军事等诸多领域，空气流速都是一项重要的检测参数。特别是近年来发展较快的自动气象站对风速测量仪器提出了更高的要求，研制能适应恶劣气象条件，实现多点多相、瞬时精确的风速测量仪器更具有特别重要的意义。

目前，测量风速所使用的仪器设备品种繁多，通常基于以下几种原理：动压式、机械式、热式、超声波式、数字式等。皮托管风速仪是典型的动压式风速测量仪，这种设备结构简单，对环境的适应性较好，精确度和分辨率都比较高，但不适合用于低速风测量；机械式风速计结构简单，利用转叶探头可同时感知风速和风向，但制造、安装要求较高，且在长期使用过程中不可避免的存在磨损和老化问题，影响测量精度，也不适合在恶劣的气候条件下工作；热差式的风速计，利用风速影响加热敏感元件的冷却速度来测量风速，由于易集成，是目前风速测量领域热门研究的一种风速方法，目前该类仪器存在量程较小，还不能用于测量高速风，同时受湿度影响很大，也不能大面积实用化；近年来基于风速影响超声波的传播速度，提出了超声波风速测量仪，但声速受环境因素影响非常明显，大气湿度、温度以及其中所含的杂质浓度等因素都会对超声波传感器的测量精度有所影响。

目前的风速测量仪受结构、原理、量程等因素制约，存在通用性较差的问题，特别是不适合用于野外长期无人值守的自动气象站。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提出一种力传感器及其风速测量方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明力传感器，其特征在于包括受风体、弹性梁、第一应变片组和第二应变片组，其中弹性梁固定于受风体的内部，第一应变片组设置于弹性梁的上部前侧，第二应变片组设置于弹性梁的下部后侧，第一应变片组与第二应变片组结构相同，每个应变片组包括四个应变片，每个应变片构成惠斯通全桥电路的一个桥臂，所述惠斯通全桥电路的输入端接电源。

所述的力传感器的风速测量方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：采用力传感器检测实际风速得到电压变化信号ΔU_o；

第二步：采用第一步所述的电压变化信号ΔU_o计算得到二维力：

Fx=ΔUoxWxE/(KULA)Fy=ΔUoyWyE/(KULB),]]>

其中ΔU_ox、ΔU_oy分别为第一步所述的电压变化信号ΔU_o在x轴和y轴的分量，E为材料弹性模量，W_x和W_y分别为传感器截面在x轴和y轴的弯曲截面系数，U为惠斯通全桥电路的电源电压，L_A和L_B分别为第一应变片组和第二应变片组的力臂，K为应变灵敏系数，F_x和F_y分别为力传感器受到的风载荷F在x轴和y轴的分力即二维力；