基于压电片的风速信号采集方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于压电材料的风速信号采集方法及装置，包括压电片、夹片、支架和引线：首先，所述压电片带有引线的一端通过夹片固定于支架，另一端为自由端；压电片的自由端与风源相向，且压电片所在平面平行于风向；其次，所述压电片的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片产生的电压通过引线输出至示波器进行显示；最后，根据示波器显示的电压与对应风速之间的关系，进行拟合得到风速测量函数。本发明专利技术利用压电材料对射流风速采集，具有结构简单、成本低的优点，在无人机以及便携式器件都具有广阔的应用前景。

Method and device for collecting wind speed signal based on piezoelectric chip

The invention discloses a method and device of wind speed signal acquisition method based on piezoelectric materials, including piezoelectric plate, clip, support and lead: firstly, the piezoelectric film with a wire through the end of the clip fixed in the bracket, the other end is a free end; the free end of the electric pressure plate and air opposite. And the piezoelectric plane parallel to the wind direction; secondly, the piezoelectric plate of the free end by air shear layer after impact vibration, different voltage under different wind speed; piezoelectric voltage generated by the display output to the oscilloscope by wire; finally, according to the relationship between the voltage oscilloscope display and corresponding wind speed the fitting of wind speed measurement function. The invention adopts the piezoelectric material to collect the wind speed of the jet, and has the advantages of simple structure and low cost, and has wide application prospect in the unmanned air vehicle and the portable device.

【技术实现步骤摘要】
基于压电片的风速信号采集方法及装置
本专利技术涉及风速测量
，特别是一种基于压电片的风速信号采集方法及装置。
技术介绍
压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，是一类对机、电、声、光、热敏感的电子材料，广泛应用于工业部门和高科技领域。其中最为广泛应用的是PZT和PVDF，PZT的频率常数要大于PVDF，所以可以根据环境风速的大小来选择适应的压电材料。聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种高性能、低成本的高分子压电材料，具有质量轻(膜片厚度可达微米级)、输出响应速度快(可达ns级)、灵敏度高(在0～20GPa范围内均能实现稳定输出)、安装方便(可直接贴附在被测物体表面)等突出优点。由于PVDF薄膜能够方便、快捷、精确地测量弹性体的形变，因而在声学及振动测量方面具有较高的应用价值，其应用范围涉及工程、科研及医疗等领域。冲击射流非稳定性是在剪切层非稳定性、涡脱落以及声反馈等因素的共同作用下产生的，它与射流速度、喷管出口与尖楔之间的距离等因素有关。这类现象存在于大量不同的流体机构中，如边棱音、环音、孔音、凹腔流动等等。由于涉及湍流、漩涡流动、声辐射等复杂现象，目前针对该类非稳定流动现象的内在机理研究仍然是流体力学学科的前沿课题,但多年的研究使人们已经能够对这类现象进行定性地、半经验地分析。Brackenridge等人对水射流簧片哨的研究发现，射流与弹性簧片的耦合振动表现为振动频率对簧片固有频率的捕获特性，而这种耦合振动要比单纯的射流振动有更高的强度。目前，常见的风速测量主要有有以下几种：1、如国内专利申请号CN104297517A，一种基于PVDF传感器的风速测量仪，其应用到高压电缆上的风速测量，对分析电缆的受力、风速等有一定的依据，但使用局限性太大。2、国内专利申请号CN201310176418.3，采用螺旋桨风杯式风速传感器，其结构特点是在环境中适用性强、操作简单，但有转动部件易磨损，这种转动惯性会降低响应风速。3、国内专利申请号CN201310107907.3，采用热敏电阻式风速传感器，其结构特点是结构简单可靠，能测较低风速，但热敏电阻在使用过程中不能保证工作状态一致，会对精度造成一定的影响。4、目前经常使用的热线风速传感器，由于热线的直径通常是μm级，这就造成加工难度大，且在使用过程中极易损坏。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种精度高、结构简单、成本低的基于压电材料的风速信号采集方法及装置。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于压电材料的风速信号采集方法，包括压电片、夹片、支架和引线：首先，所述压电片带有引线的一端通过夹片固定于支架，另一端为自由端；压电片的自由端与风源相向，且压电片所在平面平行于风向；其次，所述压电片的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片产生的电压通过引线输出至示波器进行显示；最后，根据示波器显示的电压与对应风速之间的关系，进行拟合得到风速测量函数。进一步地，所述压电片根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。进一步地，所述支架与夹片通过螺栓螺母连接。进一步地，所述根据不同的风速得到不同的电压，其中风速通过皮托管测量得到。一种基于压电材料的风速信号采集装置，包括压电片、夹片、支架和引线，所述压电片带有引线的一端通过夹片固定于支架，另一端为自由端；压电片的自由端与风源相向，且压电片所在平面平行于风向；所述压电片的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片产生的电压通过引线输出至示波器进行显示。进一步地，所述压电片根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。进一步地，所述支架与夹片通过螺栓螺母连接。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用压电材料作为采集风速的传感器，先根据不同的风速范围，选择不同的压电材料，再在每种范围内制成不同尺寸的压电材料，由于尺寸不同对应不同的谐振风速范围，使之在较小范围内达到精确测量的目的；(2)利用压电材料作为传感器，无叶轮、转轴等活动零件，结构简单、操作简便、易于实现；(3)装置采用悬臂梁式布局且完全沉浸在流场之中，可使临界风速降低，压电元件实现较为规律的振动，电压信号输出较为稳定。附图说明图1是本专利技术基于压电材料的风速信号采集装置的结构示意图。图2是本专利技术基于压电材料的风速信号采集装置的实施布置示意图。图3是本专利技术实施实例风速13m/s时输出电压变化波形图。图4是本专利技术实施实例风速16m/s时输出电压变化波形图。图5是本专利技术实施实例有效电压值变化规律图。具体实施方式为了进一步阐明本专利技术，以下结合附图和具体实施例进行详细说明。本专利技术提出的基于压电片的风速信号采集方法，是利用风致振动机理，包括压电片、专用夹具等。当来流遇到压电片的自由端，即由流体剪切层撞击到下游物体时，通过流体诱发压电材料谐振。谐振时由于压电效应压电片内部会产生极化现象，同时在压电元件的两个相对表面产生交替变化的正负相反的电荷，为此不同的风速产生电压不同，通过测量压电片的电压便可得到对应的风速。这种利用利用压电材料对射流风速采集，无转轴、叶轮、谐振腔等活动部件，具有结构简单、成本低，在无人机、以及便携式器件都具有可能的应用前景。如图1所示是本专利技术基于压电材料的风速信号采集方法，包括压电片1、夹片2、支架3和引线4：首先，所述压电片1带有引线4的一端通过夹片2固定于支架3，另一端为自由端；压电片1的自由端与风源相向，且压电片1所在平面平行于风向；其次，所述压电片1的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片1产生的电压通过引线4输出至示波器进行显示；最后，根据示波器显示的电压与对应风速之间的关系，进行拟合得到风速测量函数。进一步地，所述压电片1根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。进一步地，所述支架3与夹片2通过螺栓螺母连接。进一步地，所述根据不同的风速得到不同的电压，其中风速通过皮托管测量得到。一种基于压电材料的风速信号采集装置，包括压电片1、夹片2、支架3和引线4，所述压电片1带有引线4的一端通过夹片2固定于支架3，另一端为自由端；压电片1的自由端与风源相向，且压电片1所在平面平行于风向；所述压电片1的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片1产生的电压通过引线4输出至示波器进行显示。进一步地，所述压电片1根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。进一步地，所述支架3与夹片2通过螺栓螺母连接。本专利技术是利用冲击射流的非稳定性的振动机理，当射流遇到PVDF压电薄膜传感器，由流体力学可知凡是有固体与流体的相对运动就会搓出涡，正是这种涡导致压电片振动。对于不同尺寸的压电材料，需要的谐振风速范围的大小不同，且在谐振时，风速和电压值呈现较为规律的对应关系。实施例1在本实施例中，如图2所示，包括压电片1、夹片2、支架3和引线4，所述压电片1带有引线4的一端通过夹片2固定于支架3，另一端为自由端；压电片1的自由端与风源相向，且压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压电材料的风速信号采集方法，其特征在于，包括压电片(1)、夹片(2)、支架(3)和引线(4)：首先，所述压电片(1)带有引线(4)的一端通过夹片(2)固定于支架(3)，另一端为自由端；压电片(1)的自由端与风源相向，且压电片(1)所在平面平行于风向；其次，所述压电片(1)的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片(1)产生的电压通过引线(4)输出至示波器进行显示；最后，根据示波器显示的电压与对应风速之间的关系，进行拟合得到风速测量函数。

【技术特征摘要】
1.一种基于压电材料的风速信号采集方法，其特征在于，包括压电片(1)、夹片(2)、支架(3)和引线(4)：首先，所述压电片(1)带有引线(4)的一端通过夹片(2)固定于支架(3)，另一端为自由端；压电片(1)的自由端与风源相向，且压电片(1)所在平面平行于风向；其次，所述压电片(1)的自由端受到气流剪切层撞击后产生振动，根据不同的风速得到不同的电压；压电片(1)产生的电压通过引线(4)输出至示波器进行显示；最后，根据示波器显示的电压与对应风速之间的关系，进行拟合得到风速测量函数。2.根据权利要求1所述的基于压电材料的风速信号采集方法，其特征在于，所述压电片(1)根据不同风速范围选择，当风速为0～50m/s时选择PVDF，风速为50～200m/s时选择PZT。3.根据权利要求1所述的基于压电材料的风速信号采集方法，其特征在于，所述支架(3)与夹片(2)通过螺栓螺母连接。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王相昂，孙波，骆晓臣，陈荷娟，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32