专利摘要

本发明涉及一种压电风向风速测量装置，属风力测量技术领域。主体上壁上方装有光伏电池片，主体下壁下方设有半轴、上方装有传感器、电路板和壳体，传感器均布在以半轴轴心为圆心的圆周上；电路板和传感器置于壳体与主体下壁构成的腔体内；半轴经轴承装在底座上，底座上镶有两块磁铁，磁铁中心与传感器中心位于同一圆周上，磁铁对称安装在半轴两侧；壳体上方装有传感振子，主体前后壁间装有隔板，隔板上方装有俘能振子，传感振子和俘能振子分别向主体左侧及右侧倾斜；主体前后壁外侧都装有旗帆；俘能振子和传感振子均为由基板和压电片粘接而成的预弯结构且压电片半径大于基板半径；俘能振子的基板靠近隔板安装，传感振子的压电片靠近壳体安装。

权利要求

1.一种压电风向风速测量装置，其特征在于：主体上壁的上方装有光伏电池片，主体下壁下方设有半轴，半轴靠近主体左侧；主体下壁上方装有一组传感器、电路板和壳体，传感器均布在以半轴轴心为圆心的圆周上，传感器由镍基板与压电膜粘接而成，压电膜直径与镍基板可变形部分直径之比为0.8，压电膜朝上安装；电路板上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统，电路板和传感器置于壳体与主体下壁构成的腔体内；半轴经轴承装在底座上，底座上镶有两块磁铁，磁铁中心与传感器中心位于同一圆周上，磁铁对称安装在半轴两侧；壳体上方装有传感振子，传感振子向主体左侧倾斜；主体前壁和主体后壁之间装有隔板，隔板上方装有俘能振子，俘能振子向主体右侧倾斜；主体前壁和主体后壁的外侧都装有旗帆；俘能振子和传感振子均为由基板和压电片粘接而成的预弯结构且压电片半径大于基板半径；俘能振子的基板靠近隔板安装，传感振子的压电片靠近壳体安装；风速为v＝λ_vV_g或v＝λ_ffL/[S_tsin(Q)]，其中λ_v、λ_f分别为根据电压计算风速及根据频率计算风速时的修正系统，V_g、f分别为传感振子输出电压及电压频率，L、Q分别为传感振子弦线长度和安装角，S_t＝0.145～0.22为与结构及流体相关的系数；俘能振子和传感振子的安装角分别为Q’＝20～40°和Q＝120～150°。

说明书

技术领域

本发明属风力测量技术领域，具体涉及一种压电风向风速测量装置。

背景技术

风向风速测量技术在气象、民航、公路与桥梁及采矿等行业都有广泛的应用需求。目前，用于风向风速测量的新型传感器、数据采集与处理技术等都取得了长足的发展，其中便携式数字式风速测量仪在工业生产中已获得广泛的实际应用。然而，野外自然环境中风向风速测量方面还有一些急需解决的关键问题，如数据采集、处理及持续远程传输的能量供应问题，测量系统的低风速启动问题，等等。

发明内容

本发明提出一种压电风向风速测量装置，本发明采用的实施方案是：主体为方筒状结构，主体上壁上方经螺钉安装有光伏电池片，主体下壁下方设有半轴，半轴靠近主体左侧；主体下壁上方经螺钉和压环安装有一组传感器、经垫圈安装有电路板、经螺钉安装有壳体；传感器均布在以半轴轴心为圆心的圆周上，传感器由镍基板与压电膜粘接而成，压电膜的直径与镍基板可变形部分的直径之比为0.8，压电膜朝上安装；电路板上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统，电路板和传感器置于壳体与主体下壁构成的腔体内；半轴经轴承、垫片及螺母安装在底座上，底座上镶有两块磁铁，磁铁的中心与传感器的中心位于同一圆周上，磁铁对称安装在半轴两侧。

壳体上方经压板及螺钉安装有传感振子，传感振子向主体左侧倾斜；主体前壁和主体后壁之间经螺钉安装有隔板，隔板上方经压板和螺钉安装有俘能振子，俘能振子向主体右侧倾斜；主体前壁和主体后壁的外侧都经压条和螺钉安装有旗帆，旗帆沿主体前壁及主体后壁的右边缘固定；俘能振子和传感振子均为由基板和压电片粘接而成的预弯结构且压电片的半径大于基板的半径；俘能振子的基板靠近隔板安装，传感振子的压电片靠近壳体安装；传感振子、俘能振子、光伏电池片及传感器经不同的导线组与电路板连接。

当工作中环境的风向及风速变化时，旗帆受风力作用并将带动主体、传感器、传感振子及俘能振子绕半轴转动，从而实现风速与风向的自动测量，过程如下：

旗帆带动主体转动时，确保了风从主体左侧吹向右侧，此时俘能振子和传感振子的受风面积都最大；风吹过俘能振子和传感振子后便会在其后面产生漩涡，漩涡的连续生成与脱落使得俘能振子及传感振子前后的风压发生变化，从而使俘能振子和传感振子产生往复的弯曲变形并将机械能转换成电能；其它条件相同时，俘能振子及传感振子的输出电压都与风速呈一定的线性关系，故俘能振子和传感振子都具有发电和风速测量的双重作用，但因二者安装的方式不同，其发电能力及输出电压与风速的关系不同；本发明将俘能振子所生成的电能转换处理后主要用于大功率信息发射，传感振子生成的电压用于表征风速v，即v＝λ_vV₈或v＝λ_ffL/[S_tsin(Q)]，其中λ_v、λ_f分别为根据电压计算风速及根据频率计算风速时的修正系统，V_g、f分别为传感振子的输出电压及电压频率，L、Q分别为传感振子的弦线长度和安装角，S_t＝0.145～0.22为与结构及流体相关的系数。

旗帆带动主体转动时，置于主体上的各传感器与磁铁的相对位置发生变化，从而使各传感器上镍基板的变形量及压电膜上的电压信号不同，与磁铁距离近的传感器的电压信号强、远的传感器的电压信号弱或无电压信号，故可根据各传感器电压信号的强弱及有无判断风向。

本发明中，为提高俘能振子发电能力和传感振子测量精度，俘能振子安装角为Q’＝20～40°，传感振子安装角为Q＝120～150°，安装角是指俘能振子及传感振子弦线与风向间的夹角，弦线是指俘能振子及传感振子自由端与固定端的连线；为使俘能振子具有最大的发电能力并避免压电片因制作过程中拉应力过大而损坏，压电片凸面上的半径最小值为 其中H为俘能振子或传感振子的厚度，E₁、E₂分别为基板和压电片的弹性模量， g₃₁、T^*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。

本发明中，光伏电池片用于光能采集与存储，以维护长期无风时测量仪系统的微能量供应。

优势与特色：总体结构简单、启动风速低，所需能量自给、无需化学电池和铺设电缆。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中测量仪的结构示意图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的I部视图；

图4是图1的左视图；

图5是不同安装角时输出电压与风速的关系曲线；

图6是输出电压与安装角度的关系曲线。

具体实施方式

主体a是方筒状结构，主体上壁a1的上方经螺钉安装有光伏电池片b，主体下壁a2的下方设有半轴a5，半轴a5靠近主体a的左侧；主体下壁a2的上方经螺钉和压环c安装有一组传感器d、经垫圈e安装有电路板f、经螺钉安装有壳体g；传感器d均布在以半轴a5轴心为圆心的圆周上，传感器d由镍基板d1与压电膜d2粘接而成，压电膜d2的直径与镍基板d1可变形部分的直径之比为0.8，压电膜d2朝上安装；电路板f上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统，电路板f和传感器d置于壳体g与主体下壁a2构成的腔体内；半轴a5经轴承h、垫片i及螺母j安装在底座k上，底座k上镶有两块磁铁m，磁铁m的中心与传感器d的中心位于同一圆周上，磁铁m对称安装在半轴a5的两侧。

壳体g的上方经压板n及螺钉安装有传感振子p，传感振子p向主体a的左侧倾斜；主体前壁a3和主体后壁a4之间经螺钉安装有隔板y，隔板y上方经压板n和螺钉安装有俘能振子p’，俘能振子p’向主体a的右侧倾斜；主体前壁a3和主体后壁a4的外侧都经压条q和螺钉安装有旗帆r，旗帆r沿主体前壁a3及主体后壁a4的右边缘固定；俘能振子p’和传感振子p均为由基板p1和压电片p2粘接而成的预弯结构且压电片p2的半径大于基板p1的半径；俘能振子p’的基板p1靠近隔板y安装，传感振子p的压电片p2靠近壳体g安装；传感振子p、俘能振子p’、光伏电池片b及传感器d经不同的导线组与电路板f连接。

当工作中环境的风向及风速变化时，旗帆r受风力作用并将带动主体a、传感器d、传感振子p及俘能振子p’绕半轴a5转动，从而实现风速与风向的自动测量，过程如下：

旗帆r带动主体a转动时，确保了风从主体a左侧吹向右侧，此时俘能振子p’和传感振子p的受风面积都最大；风吹过俘能振子p’和传感振子p后便会在其后面产生漩涡，漩涡的连续生成与脱落使得俘能振子p’及传感振子p前后的风压发生变化，从而使俘能振子p’和传感振子p产生往复的弯曲变形并将机械能转换成电能；其它条件相同时，俘能振子p’及传感振子p的输出电压都与风速呈一定的线性关系，故俘能振子p’和传感振子p都具有发电和风速测量的双重作用，但因二者安装的方式不同，其发电能力及输出电压与风速的关系不同，本发明将俘能振子p’所生成的电能转换处理后主要用于大功率信息发射，传感振子p生成的电压用于表征风速v，即v＝λ_vV_g或v＝λ_ffL/[S_tsin(Q)]，其中λ_v、λ_f分别为根据电压计算风速及根据频率计算风速时的修正系统，V_g、f分别为传感振子p的输出电压及电压频率，L、Q为传感振子p的弦线长度和安装角，S_t＝0.145～0.22为与结构及流体相关的系数。

旗帆r带动主体a转动时，置于主体a上的各传感器d与磁铁m的相对位置发生变化，从而使各传感器d上镍基板d1的变形量及压电膜d2上的电压信号不同，与磁铁m距离近的传感器d的电压信号强、远的传感器d的电压信号弱或无电压信号，故可根据各传感器d电压信号的强弱及有无判断风向。

本发明中，为提高俘能振子p’的发电能力和传感振子p的测量精度，俘能振子p’的安装角为Q’＝20～40°，传感振子p的安装角为Q＝120～150°，安装角Q’和Q是指俘能振子p’及传感振子p的弦线与风向间的夹角，弦线是指俘能振子p’及传感振子p自由端与固定端的连线；为使俘能振子p’具有最大的发电能力并避免压电片p2因制作过程中拉应力过大而损坏，压电片p2凸面上的半径最小值为 其中H为俘能振子p’或传感振子p的厚度，E₁、E₂分别为基板p1和压电片p2的弹性模量， g₃₁、T^*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。

本发明中，光伏电池片b用于光能采集与存储，以维护长期无风时测量仪系统的微能量供应。

一种压电风向风速测量装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。