一种自供电全向性风向风速传感器制造技术

本发明专利技术涉及风向监测技术领域，具体涉及一种自供电全向性风向风速传感器，包括底座、柔性支撑杆、绝缘球壳、柔性悬挂杆、小磁球和柔性线圈；底座内置传感器电路，绝缘球壳通过柔性支撑杆安装在底座的上方，内壁上贴满柔性线圈，并通过导线将电动势信号引出，内部通过柔性悬挂杆悬挂一个小磁球，当柔性支撑杆随风摆动时，绝缘球壳内部的柔性悬挂杆带着小磁球开始摆动，此时，柔性线圈中通过的磁通量发生变化产生感应电动势。本发明专利技术既克服了机械旋转式风杯存在的摩擦损耗问题，又解决了环境以及低功耗对传感器应用的限制，使其可以广泛应用在各种复杂恶劣环境中。各种复杂恶劣环境中。各种复杂恶劣环境中。

【技术实现步骤摘要】
一种自供电全向性风向风速传感器


[0001]本专利技术涉及风向监测
，具体涉及一种自供电全向性风向风速传感器。

技术介绍

[0002]随着现代社会科技的飞速发展，能源问题受到广泛关注，风能作为一种可再生能源吸引了人们的目光。在自然界中，风是太阳辐射热所产生的普遍现象，是由于地表空气的冷热差而引起的气流运动。进行风向和风速的测量，掌握风向风速的规律，对人类科技发展和日常生活等都起着重要作用。风向风速传感器在实验研究、农业生产、航海监测、天气预报等多个领域有着重要影响，但是在实际应用过程中普遍存在着分辨率低、稳定性不足、抗干扰能力较差等问题。
[0003]随着科学技术的发展，现如今市面上的传感器主要分为以下几种：(1)机械旋转式风杯：普通的旋转式风杯由于存在复杂的机械结构，所以在旋转时需要克服摩擦力做工，存在能量损耗。在风力很小时，启动风速不足，无法驱动其旋转，所以无法判断此时的风向和风力；其次，在旋转过程中由于惯性的影响，当风向改变时，旋转结构不能当下立即改变旋转方向，导致其测试结果不准确，可信度不高，导致其测量误差较大。(2)超声波风速风向传感器：这种风速风向传感器是利用了超声波在空气中的传播速度会受到风速和风向的影响而制成，通过超声回馈的信号来判断风速和风向。相较于机械旋转式风杯，超声波式风速风向仪的优势在于其解决了旋转式风杯存在的摩擦问题，不需要克服摩擦力做工，减少了风能的损耗。但是超声波式风速风向传感器的缺点也同样明显，由于超声波是在空气介质中传播，所以当天气不好，环境恶劣时，雨雪和沙尘都会对其测量结果有影响，使其输出误差加大。(3)MEMS式风速风向传感器：近年来，随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展，各种新型的MEMS风速风向传感器技术逐渐成熟。MEMS风速风向传感器性能较为优越，灵敏度高、成本低等，但是在使用过程中其芯片温度要加热到高于环境温度，导致其功耗较高，在各种低功耗的测试环境中无法得到广泛应用。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供了一种自供电全向性风向风速传感器，既克服了机械旋转式风杯存在的摩擦损耗问题，又解决了环境以及低功耗对传感器应用的限制，使其可以广泛应用在各种复杂恶劣环境中。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种自供电全向性风向风速传感器，包括底座、柔性支撑杆、绝缘球壳、柔性悬挂杆、小磁球和柔性线圈；底座内置传感器电路，绝缘球壳通过柔性支撑杆安装在底座的上方，内壁上贴满柔性线圈，并通过导线将电动势信号引出，内部通过柔性悬挂杆悬挂一个小磁球，当柔性支撑杆随风摆动时，绝缘球壳内部的柔性悬挂杆带着小磁球开始摆动，此时，柔性线圈中通过的磁通量发生变化产生感应电动势。
[0007]进一步地，绝缘球壳选用ABS塑料。
[0008]进一步地，柔性支撑杆选用玻璃纤维与环氧树脂所制成的复合柔性杆。
[0009]进一步地，底座上开设留有螺孔。
[0010]进一步地，通过MEMS工艺制备柔性线圈，制备时，首先在硅基底上溅射金属铝，方便后续剥离，再沉积二氧化硅绝缘层，溅射种子层；然后通过第一次光刻线圈的图形线路，显影检测无误后进行电镀金属铜和第二次刻蚀，最后对柔性线圈进行剥离。
[0011]进一步地，不同方向的风吹过来的时候，小磁球会向着不同的方向摆动；当风力大小不同时，小磁球摆动幅度也不同；摆动方向和摆动幅度导致绝缘球壳上不同位置的线圈磁场变化不同，从而根据绝缘球壳上不同位置的柔性线圈的感应电动势大小来判断风向和风力。
[0012]进一步地，柔性悬挂杆采用碳纤维复合材料。
[0013]上述方案中，该传感器主体结构设计为球状，当风从各个方向吹过时，该传感器可以360度的感受风向风速，根据法拉第电磁感应定律：当闭合的线圈在磁场中运动时，穿过线圈的磁通量就会发生变化从而产生感应电动势，感应电动势的大小取决于磁通量的变化率。本专利技术的主体结构为球形，当受到任意方向的风作用时，风向和风力引起结构内部磁通量变化，通过观察感应电动势的大小和输出通道(当风向风速不同时，贴在球内壁不同位置的线圈输出的电动势不同)，就可以对风力和风向做出判断。同时，线圈切割磁感线所产生的感应电动势可以反过来给传感器内部电路供电，所以在恶劣复杂环境中传感器的供电问题也得到了有效的解决。
附图说明
[0014]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0015]图1为本专利技术实施例一种自供电全向性风向风速传感器的结构示意图。
[0016]图2为图1中A
‑
A的剖面图。
[0017]图3为本专利技术实施例的工作原理图。
具体实施方式
[0018]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。
[0019]如图1
‑
图2所示，本专利技术实施例的一种自供电全向性风向风速传感器，包括底座1、柔性支撑杆2、绝缘球壳3、柔性悬挂杆4、小磁球5和柔性线圈6；底座1内置传感器电路，绝缘球壳3通过柔性支撑杆2安装在底座1的上方，内壁上贴满柔性线圈6，并通过导线将电动势信号引出，内部通过柔性悬挂杆4悬挂一个小磁球5，当柔性支撑杆2随风摆动时，绝缘球壳3内部的柔性悬挂杆4带着小磁球5开始摆动，此时，柔性线圈6中通过的磁通量发生变化产生感应电动势。不同方向的风吹过来的时候，小磁球会向着不同的方向摆动；当风力大小不同时，小磁球摆动幅度也不同；摆动方向和摆动幅度导致绝缘球壳上不同位置的线圈磁场变化不同，从而根据绝缘球壳上不同位置的柔性线圈的感应电动势大小来判断风向和风力。
[0020]本实施例中，绝缘球壳3选用ABS塑料，ABS塑料抗冲击强度高，化学性能稳定，阻燃性能良好，在户外低温等恶劣环境中也可以使用。柔性支撑杆2选用玻璃纤维与环氧树脂所制成的复合柔性杆，这种复合材料柔性杆的弯曲强度及模量随着温度降低呈现出上升的趋势，使柔性杆刚度加大，脆断可能性提高。底座1上开设留有螺孔，方便其在使用过程中的固定。柔性悬挂杆采用碳纤维复合材料。
[0021]本实施例中，通过MEMS工艺制备柔性线圈，制备时，首先在硅基底上溅射金属铝，方便后续剥离，再沉积二氧化硅绝缘层，溅射种子层；然后通过第一次光刻线圈的图形线路，显影检测无误后进行电镀金属铜和第二次刻蚀，最后对柔性线圈进行剥离。
[0022]本专利技术的一种自供电全向性风向风速传感器分为风向风速检测模块和能量存储模块，其中，风向风速检测模块的主要功能为对风向风速传感单元检测到的电压和电流进行识别与分析。风向风速传感模块采集到电流与电压信号，经过信号处理单元处理后，由气象监测单元判别是否有风。当气象监测单元检测到环境中无风时，直接进入数据采集低功耗延时模式，采用“休眠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自供电全向性风向风速传感器，其特征在于：包括底座(1)、柔性支撑杆(2)、绝缘球壳(3)、柔性悬挂杆(4)、小磁球(5)和柔性线圈(6)；底座(1)内置传感器电路，绝缘球壳(3)通过柔性支撑杆(2)安装在底座(1)的上方，内壁上贴满柔性线圈(6)，并通过导线将电动势信号引出，内部通过柔性悬挂杆(4)悬挂一个小磁球(5)，当柔性支撑杆(2)随风摆动时，绝缘球壳(3)内部的柔性悬挂杆(4)带着小磁球(5)开始摆动，此时，柔性线圈(6)中通过的磁通量发生变化产生感应电动势。2.如权利要求1所述的一种自供电全向性风向风速传感器，其特征在于：绝缘球壳(3)选用ABS塑料。3.如权利要求1所述的一种自供电全向性风向风速传感器，其特征在于：柔性支撑杆(2)选用玻璃纤维与环氧树脂所制成的复合柔性杆。4.如权利要求1所述的一种自供电全向性风向风速传感器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔娟，郑永秋，薛晨阳，刘亭杉，白善明，郝聪聪，祁博文，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：