[发明专利]一种基于仿生形变叶片的风速风向传感器及其测量方法

权利要求书

1.一种基于仿生形变叶片的风速风向传感器，其特征在于，包括：

底座，其为圆盘状结构，并且具有第一凹槽；

叶片基座，其为圆盘状结构，并且匹配固定安装在所述第一凹槽内部，在所述叶片基座上沿圆周阵列分布设置多个第二凹槽；

电控装置，其设置在所述底座和所述叶片基座之间形成的空腔内，并且与所述第一凹槽底部可拆卸的固定连接；

仿生形变叶片，其包括：仿生形变叶片套、金属薄片和应变片；

其中，所述仿生形变叶片套的一侧设置固定底座，用于在所述第二凹槽内匹配固定，仿生形变叶片套的叶面外轮廓包括第一曲线段和第二曲线段，并且所述第一曲线段和所述第二曲线段对称设置，所述第一曲线段的轮廓曲线方程为：

式中，A为叶面水平方向的最大长度，B为叶面竖直方向的最大长度，a为叶面底端至应变片中心处距离；仿生形变叶片套根据金属薄片大小浇筑而成；

所述应变片设置在所述金属薄片的正反面上，并且与所述电控装置电联；

所述金属薄片能够从所述固定底座处插入到所述仿生形变叶片套中。

2.如权利要求1所述的基于仿生形变叶片的风速风向传感器，其特征在于，叶面水平方向的最大长度A、叶面竖直方向的最大长度B和叶面底端至应变片中心处距离a满足如下条件：

0.6U≤A≤0.8U；

I₂＝αh⁴；

式中，G为金属薄片的切变模量，E为金属薄片的弹性模量，I₁为金属薄片的截面惯矩，I₂为扭转截面系数，h为金属薄片厚度，b为金属薄片宽度，ω_f为十二级风时的风压，N为所述仿生形变叶片套的前后排距离，U为所述仿生形变叶片套的左右两片叶面中心距离。

3.如权利要求2所述的基于仿生形变叶片的风速风向传感器，其特征在于，所述电控装置螺接在所述第一凹槽底部。

4.如权利要求2所述的基于仿生形变叶片的风速风向传感器，其特征在于，所述底座外侧沿圆周均布侧耳，在所述侧耳上设置通孔，其用于将所述传感器固定。

5.如权利要求4所述的基于仿生形变叶片的风速风向传感器，其特征在于，所述电控装置螺接在所述第一凹槽底部。

6.如权利要求5所述的基于仿生形变叶片的风速风向传感器，其特征在于，所述第二凹槽内部设置通孔，用于将所述应变片的引脚引出的电线通过所述通孔引入所述空腔内，与所述电控装置电联。

7.如权利要求6所述的基于仿生形变叶片的风速风向传感器，其特征在于，所述应变片粘接到所述金属薄片上；以及

所述叶片基座与所述底座粘接固定。

8.如权利要求7所述的基于仿生形变叶片的风速风向传感器，其特征在于，所述仿生形变叶片的材质为硅橡胶；以及

所述叶片基座的材质为塑料或者金属。

9.一种基于仿生形变叶片的风速风向传感器的测量方法，其特征在于，使用如权利要求1-8任何一项所述的风速风向传感器，包括：

确定叶片基座与底座材料及大小，根据测量范围选用不同弹性模量和特性的金属薄片，根据金属薄片大小浇筑仿生形变叶片套，在金属薄片上正反面贴好应变片，将选好的各部分粘接，连接好电控装备及电路；

安装在重型车辆顶部或者飞行器开阔表面，选好安装面后，使用螺栓将传感器安装在重型车辆或者飞行器上；

检查各个仿生形变叶片角度，使仿生形变叶片呈圆形分布，面向各个方向；

标定好风力等效因子后，测量风速与风向。

10.如权利要求9所述的基于仿生形变叶片的风速风向传感器的测量方法，其特征在于，通过如下公式计算风速：

式中，K为风力等效因子，ρ为空气密度，S为迎风面积，l₀为金属薄片上应变片至自由端的距离，E为金属薄片的弹性模量，b为金属薄片的宽度，h为金属薄片厚度，ε为金属薄片在应变片位置的应变形变；以及

风向测量过程包括：

统计所有金属薄片的受力，受力最大的金属薄片所对应的仿生形变叶片拥有最大的迎风面，风向为拉伸形变最大的一侧，当相邻两个金属薄片所对应的仿生形变叶片受力同时最大时，风向为两个仿生形变叶片中间向拉伸形变一侧方向。