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一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于檢測技術(shù)與傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)及方法。本發(fā)明根據(jù)矢量的分解與合成機(jī)理，通過測量不同于被測目標(biāo)矢量的三維分解量，換算出被測方向的三維力學(xué)量或失量分量來達(dá)到三維量測的目的。依此設(shè)計的特殊錐體三維敏感單元實(shí)現(xiàn)了三維（縱向、垂向、橫向三個方向）力學(xué)量測。通過集成本發(fā)明的多個椎體結(jié)構(gòu)，采用微納米技術(shù)，可以制備人工力學(xué)敏感“皮膚”，也可以用于流體動力學(xué)的三維紊動流速特性量測。本發(fā)明是三維力學(xué)或三維紊動流速量測的一種新手段。
【專利說明】一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于檢測技術(shù)與傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維力學(xué)或流速量測受傳感器結(jié)構(gòu)、方法和體積的局限，一直是制約傳感器智能化的瓶頸。
[0003]對于三維力學(xué)或流速測量的研究深度，在很大程度上取決于測試技術(shù)或傳感器發(fā)展的水平，特別是微型化和高靈敏度、高可靠性是該技術(shù)的三個難點(diǎn)。其中，微型化的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)三維立體檢測并獲得相應(yīng)的三維力學(xué)特征值。
[0004]目前，一維和二維傳感器已經(jīng)有較多的種類，如:各種壓阻式壓力傳感器、懸臂梁應(yīng)力傳感器。通過將兩個方向性優(yōu)良的力敏梁以十字交叉形式，構(gòu)成二維的力學(xué)測量模型已有報道和應(yīng)用。但是，同步三維力學(xué)立體矢量方法的測量沒有報道，然而，三維測量技術(shù)對于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)、裝備的發(fā)展都有著十分重要的科學(xué)意義。例如:機(jī)器魚運(yùn)動時受水體流場的影響很大，為了正確地輸出前進(jìn)驅(qū)動動力和舵機(jī)策略，需要感知水流的方向及動力與漩渦的狀態(tài)，但是，由于魚的外形和運(yùn)動體系的約束，很難直接感知上述信息，由此可以通過檢測不同向量或矢量的參數(shù)，獲得所關(guān)注的參數(shù)。又比如，人工智能機(jī)器人的腳，需要了解接觸地面的狀態(tài)，決策驅(qū)動力的分配和整體的平衡，也可以通過本發(fā)明的機(jī)理實(shí)現(xiàn)矢量化測量。在測量兩相流內(nèi)的三維紊動流速時，要求在對原流態(tài)影響最小的背景下，感知三維的紊動流速，獲得準(zhǔn)確的紊流內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；根據(jù)矢量的分解與合成機(jī)理，設(shè)計特殊錐體三維敏感單元，通過測量不同于被測目標(biāo)矢量的三維分解量，實(shí)現(xiàn)了三維(縱向、垂向、橫向三個方向)力學(xué)量測。通過集成本發(fā)明的多個椎體結(jié)構(gòu)，采用微納米技術(shù)，可以制備人工力學(xué)敏感“皮膚”，也可以在任意流體中實(shí)現(xiàn)對三維紊動流速特性的量測。本發(fā)明對于各種結(jié)構(gòu)體的三維力學(xué)測量也具有重大意義，是一種三維力學(xué)或三維紊動流速量測的新手段。
[0006]本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的:
[0007]—種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0008]一個錐體三維敏感單元:通過一個傳感器激勵源給錐體三維敏感單元施加一恒流源，用于將在水流檢測到的三維受力感應(yīng)轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號，該錐體三維敏感單元為一個錐體狀，包括:受力小球、以及三個用于支撐受力小球的三個支撐桿，三個支撐桿的一端匯集于錐體的頂部，匯集的中心作為將來傳感器受力或受水流沖擊的受力小球的球心；三個支撐桿的另一端分別固定在與支撐桿桿體垂直安置的對應(yīng)量測應(yīng)力的硅力敏梁的一端，三個硅力敏梁的另一端則分別固支在中心支撐固定座上；所述三個硅力敏梁上均設(shè)有四個用于感受水流壓力的硅壓阻片，所述四個硅壓阻片組成一個惠斯通全橋測量電路，恒流源給該惠斯通全橋測量電路施加一個恒流電流，輸出為變化的電壓信號；
[0009]一個信號調(diào)理單元:包括依次連接的三路差分微弱信號儀器放大電路以及三路濾波電路，用于將錐體三維敏感單元輸出的變化的電壓信號進(jìn)行放大和濾波；
[0010]一個數(shù)據(jù)采集與信號處理單元:采用DSP作為微處理器，其內(nèi)部集成了 A\D轉(zhuǎn)換模塊，用于濾波后信號的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)過DSP的分析與處理，可計算得出水流的實(shí)際流速，即縱向流速U、垂向流速V、橫向流速W ;
[0011]一個計算機(jī)及信息處理系統(tǒng):通過RS485或CAN總線、以及W1-FI模塊與數(shù)據(jù)采集與信號處理單元連接，用于對進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、計算和處理；
[0012]一個固定組件:用于固定錐體三維敏感單元并用于水下檢測；
[0013]一個電源單元:給整個系統(tǒng)供電。
[0014]在上述的一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，三個支撐傳力桿與錐體中心線的夾角為Θ，三個硅力敏梁對稱分布，相互之間的夾角為120°，并且分別與支撐桿的夾角為90°。
[0015]在上述的一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，所述固定組件包括一個L形且內(nèi)部為中空的管體，所述錐體三維敏感單元固定在管體底部，管體底部一端開口，且開口端外壁為 楔形；嘴套一端外壁與管體底部內(nèi)壁相適應(yīng)，且插入管體底部開口端并通過一個設(shè)置在嘴套內(nèi)壁套環(huán)將嘴套卡在管體底部開口處；嘴套另一端管壁傾斜設(shè)置以至開口逐漸縮?。诲F體三維敏感單元的中心支撐固定座固定在套環(huán)上，受力小球伸出至嘴套另一端開口外，所述嘴套另一端開口的口徑大于受力小球的直徑。
[0016]在上述的一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，所述錐體三維敏感單元中每個硅力敏梁中的四個硅壓阻片的放置方法是:硅力敏梁以N型硅作為襯底，同時切割成為檢測硅梁所需要的形狀，作為應(yīng)力、應(yīng)變信號敏感檢測元件；在此N型硅梁上，擴(kuò)散P型雜質(zhì)，形成電阻條，并根據(jù)硅梁在傳感器受力環(huán)境下正負(fù)應(yīng)力區(qū)域，布置成惠斯通全橋測量電路，電路中％、R2> R3> R4分別對應(yīng)硅壓阻片1、2、3、4的電阻值；因為應(yīng)變片的應(yīng)變大小與力作用的距離有關(guān)，所以硅壓阻片貼在距固定端較近的表面，即硅壓阻片R1和R3平行于硅力敏梁放置于負(fù)應(yīng)變區(qū)，R2和R4垂直與硅力敏梁放置于正應(yīng)變區(qū)；當(dāng)硅壓阻電橋所在的懸臂硅梁末端受力時，硅壓阻片R2、R4受平行硅力敏梁的拉力產(chǎn)生正應(yīng)變，電阻增大；硅壓阻片RpR3受到垂直于硅力敏梁兩側(cè)向內(nèi)擠壓的作用力而產(chǎn)生負(fù)應(yīng)力，電阻減小。
[0017]在上述的一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)還包括同時與微處理器DSP連接的姿態(tài)檢測單元以及環(huán)境監(jiān)測單元；所述姿態(tài)檢測單元采用陀螺儀，用于傳感器的安置姿態(tài)和自身振動檢測；所述環(huán)境監(jiān)測單元包括液體溫度傳感器、大氣溫度傳感器、以及設(shè)置在管體的殼體外壁的系統(tǒng)自身溫度傳感器，該環(huán)境監(jiān)測單元用于檢測傳感器所在被測流體的環(huán)境。
[0018]—種基于力學(xué)矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測方法，其特征在于，基于以下定義:三個支撐傳力桿與錐體中心線的夾角為Θ，水流作用于受力小球的力7，分解到支撐桿1、2、3上的力分別為f\、f2、f3，其方向沿支撐桿1、2、3的方向；通過失量的分解與合成，可得/在X、y、Z方向的分量；P在X方向的分量:fx = (fi+f^coseo。-f3cos60° ) sin θ[0019]/在 y 方向的分量:fy = (f2-f3) sin Θ cos60°
[0020]/在 z 方向的分量:fz = (f1+f2+f3) cos θ
[0021]由于汁算可得瞬時流速的大小為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，其特征在于，包括: 一個椎體三維敏感單元:通過一個傳感器激勵源給椎體三維敏感單元施加一恒流源，用于將在水流檢測到的三維受力感應(yīng)轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號，該椎體三維敏感單元為一個椎體狀，包括:受力小球、以及三個用于支撐受力小球的三個支撐桿，三個支撐桿的一端匯集于錐體的頂部，匯集的中心作為將來傳感器受力或受水流沖擊的受力小球的球心；三個支撐桿的另一端分別固定在與支撐桿桿體垂直安置的對應(yīng)量測應(yīng)力的硅力敏梁的一端，三個硅力敏梁的另一端則分別固支在中心支撐固定座上；所述三個硅力敏梁上均設(shè)有四個用于感受水流壓力的硅壓阻片，所述四個硅壓阻片組成一個惠斯通全橋測量電路，恒流源給該惠斯通全橋測量電路施加一個恒流電流，輸出為變化的電壓信號； 一個信號調(diào)理單元:包括依次連接的三路差分微弱信號儀器放大電路以及三路濾波電路，用于將椎體三維敏感單元輸出的變化的電壓信號進(jìn)行放大和濾波； 一個數(shù)據(jù)采集與信號處理單元:采用DSP作為微處理器，其內(nèi)部集成了 A\D轉(zhuǎn)換模塊，用于濾波后信號的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)過DSP的分析與處理，可計算得出水流的實(shí)際流速，即縱向流速U、垂向流速V、橫向流速W ; 一個計算機(jī)及信息處理系統(tǒng):通過RS485或CAN總線、以及W1-FI模塊與數(shù)據(jù)采集與信號處理單元連接，用 于對進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、計算和處理； 一個固定組件:用于固定椎體三維敏感單元并用于水下檢測； 一個電源單元:給整個系統(tǒng)供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，其特征在于，三個支撐傳力桿與錐體中心線的夾角為Θ，三個硅力敏梁對稱分布，相互之間的夾角為120°，并且分別與支撐桿的夾角為90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，其特征在于，所述固定組件包括一個L形且內(nèi)部為中空的管體，所述椎體三維敏感單元固定在管體底部，管體底部一端開口，且開口端外壁為楔形；嘴套一端外壁與管體底部內(nèi)壁相適應(yīng)，且插入管體底部開口端并通過一個設(shè)置在嘴套內(nèi)壁套環(huán)將嘴套卡在管體底部開口處；嘴套另一端管壁傾斜設(shè)置以至開口逐漸縮?。蛔刁w三維敏感單元的中心支撐固定座固定在套環(huán)上，受力小球伸出至嘴套另一端開口外，所述嘴套另一端開口的口徑大于受力小球的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測系統(tǒng)，其特征在于，所述椎體三維敏感單元中每個硅力敏梁中的四個硅壓阻片的放置方法是:硅力敏梁以N型硅作為襯底，同時切割成為檢測硅梁所需要的形狀，作為應(yīng)力、應(yīng)變信號敏感檢測元件；在此N型硅梁上，擴(kuò)散P型雜質(zhì)，形成電阻條，并根據(jù)硅梁在傳感器受力環(huán)境下正負(fù)應(yīng)力區(qū)域，布置成惠斯通全橋測量電路，電路中凡、R2、R3、R4分別對應(yīng)硅壓阻片1、2、3、4的電阻值；因為應(yīng)變片的應(yīng)變大小與力作用的距離有關(guān)，所以硅壓阻片貼在距固定端較近的表面，即硅壓阻片R1和R3平行于硅力敏梁放置于負(fù)應(yīng)變區(qū)，R2和R4垂直與硅力敏梁放置于正應(yīng)變區(qū)；當(dāng)硅壓阻電橋所在的懸臂硅梁末端受力時，硅壓阻片R2、R4受平行硅力敏梁的拉力產(chǎn)生正應(yīng)變，電阻增大；硅壓阻片RpR3受到垂直于硅力敏梁兩側(cè)向內(nèi)擠壓的作用力而產(chǎn)生負(fù)應(yīng)力，電阻減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于矢量分解與合成機(jī)理三維傳感量測系統(tǒng)，其特征在于，高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)還包括同時與微處理器DSP連接的姿態(tài)檢測單元以及環(huán)境監(jiān)測單元；所述姿態(tài)檢測單元采用陀螺儀，用于傳感器的安置姿態(tài)和自身振動檢測；所述環(huán)境監(jiān)測單元包括液體溫度傳感器、大氣溫度傳感器、以及設(shè)置在管體的殼體外壁的系統(tǒng)自身溫度傳感器，該環(huán)境監(jiān)測單元用于檢測傳感器所在被測流體的環(huán)境。
6.一種利用權(quán)利要求1所述的基于力學(xué)矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測方法，其特征在于，基于以下定義:三個支撐傳力桿與錐體中心線的夾角為Θ，水流作用于受力小球的力I分解到支撐桿1、2、3上的力分別為f\、f2、f3，其方向沿支撐桿1、2、3的方向；通過失量的分解與合成，可得P在x、y、z方向的分量； / 在 X 方向的分量:fx= (f^+f^cosGO。-f3cos60。) sin θ 7在 y 方向的分量:fy = (f2-f3) sin Θ cos60°
,在 ζ 方向的分量:fz = (f1+f2+f3) cos θ 由于/" Oc| I; |2，計算可得瞬時流速的大小為:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于力學(xué)矢量分解與合成機(jī)理的三維傳感量測方法,其特征在于，所述步驟2中，通過變化的電壓信號計算得到支撐桿1、2、3上的力f\、f2、f3的具體方法是:定義四個用于感受水流壓力的硅壓阻片對應(yīng)的電阻值分別是=RpHR4，恒流源的電流值是Ia，F(xiàn)所需要獲得的硅壓阻片受到外力，根據(jù)惠斯通電橋計算方法可得出輸出電壓U。；
【文檔編號】G01L9/06GK103983397SQ201410240248
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】鄭貴林, 專祥濤, 張麗 申請人:武漢大學(xué)