[发明专利]一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统及方法

权利要求书

1.一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，包括：

一个椎体三维敏感单元：通过一个传感器激励源给椎体三维敏感单元施加一恒流源，用于将在水流检测到的三维受力感应转换为电压输出信号，该椎体三维敏感单元为一个椎体状，包括：受力小球、以及三个用于支撑受力小球的三个支撑杆，三个支撑杆的一端汇集于锥体的顶部，汇集的中心作为将来传感器受力或受水流冲击的受力小球的球心；三个支撑杆的另一端分别固定在与支撑杆杆体垂直安置的对应量测应力的硅力敏梁的一端，三个硅力敏梁的另一端则分别固支在中心支撑固定座上；所述三个硅力敏梁上均设有四个用于感受水流压力的硅压阻片，所述四个硅压阻片组成一个惠斯通全桥测量电路，恒流源给该惠斯通全桥测量电路施加一个恒流电流，输出为变化的电压信号；

一个信号调理单元：包括依次连接的三路差分微弱信号仪器放大电路以及三路滤波电路，用于将椎体三维敏感单元输出的变化的电压信号进行放大和滤波；

一个数据采集与信号处理单元：采用DSP作为微处理器，其内部集成了A/D转换模块，用于滤波后信号的数据采集与转换，转换后的电压信号经过DSP的分析与处理，可计算得出水流的实际流速，即纵向流速u、垂向流速v、横向流速w；

一个计算机及信息处理系统：通过RS485或CAN总线、以及WI-FI模块与数据采集与信号处理单元连接，用于对进行数据采集、分析、计算和处理；

一个固定组件：用于固定椎体三维敏感单元并用于水下检测；

一个电源单元：给整个系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，三个支撑传力杆与锥体中心线的夹角为θ，三个硅力敏梁对称分布，相互之间的夹角为120°，并且分别与支撑杆的夹角为90°。

3.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，所述固定组件包括一个L形且内部为中空的管体，所述椎体三维敏感单元固定在管体底部，管体底部一端开口，且开口端外壁为楔形；嘴套一端外壁与管体底部内壁相适应，且插入管体底部开口端并通过一个设置在嘴套内壁套环将嘴套卡在管体底部开口处；嘴套另一端管壁倾斜设置以至开口逐渐缩小；椎体三维敏感单元的中心支撑固定座固定在套环上，受力小球伸出至嘴套另一端开口外，所述嘴套另一端开口的口径大于受力小球的直径。

4.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理的三维传感量测系统，其特征在于，所述椎体三维敏感单元中每个硅力敏梁中的四个硅压阻片的放置方法是：硅力敏梁以N型硅作为衬底，同时切割成为检测硅梁所需要的形状，作为应力、应变信号敏感检测元件；在此N型硅梁上，扩散P型杂质，形成电阻条，并根据硅梁在传感器受力环境下正负应力区域，布置成惠斯通全桥测量电路，电路中R₁、R₂、R₃、R₄分别对应硅压阻片1、2、3、4的电阻值；因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以硅压阻片贴在距固定端较近的表面，即硅压阻片R₁和R₃平行于硅力敏梁放置于负应变区，R₂和R₄垂直与硅力敏梁放置于正应变区；当硅压阻电桥所在的悬臂硅梁末端受力时，硅压阻片R₂、R₄受平行硅力敏梁的拉力产生正应变，电阻增大；硅压阻片R₁、R₃受到垂直于硅力敏梁两侧向内挤压的作用力而产生负应力，电阻减小。

5.根据权利要求1所述的一种基于矢量分解与合成机理三维传感量测系统，其特征在于，高速数据采集与处理系统还包括同时与微处理器DSP连接的姿态检测单元以及环境监测单元；所述姿态检测单元采用陀螺仪，用于传感器的安置姿态和自身振动检测；所述环境监测单元包括液体温度传感器、大气温度传感器、以及设置在管体的壳体外壁的系统自身温度传感器，该环境监测单元用于检测传感器所在被测流体的环境。