[发明专利]一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置及方法

说明书

一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置及方法，属于流速测量和平板湍流领域。测量装置由风机、风管、变频箱、PVDF压电传感器、风速仪、BK动态信号分析仪和计算机组成。变频箱控制风机转速，风机出风口接风管，PVDF压电传感器置于风管末端，PVDF传感器引出引线接入BK动态信号分析仪，分析仪接入计算机。测量方法包括BK动态信号分析仪采集不同风速下PVDF传感器输出的电压频谱；由大量实验数据拟合出lgU＝b*lgv³+d式中的比例系数b、d,校准PVDF传感器；给定任意风速，得到PVDF传感器输出的电压频谱，代入式lgU＝b*lgv³+d中计算，可得出风速值。本发明提供的PVDF传感器，可贴于风洞、水洞、运动物体表面，适用于各种测量条件，材料薄，精度高，干扰小，测量结果稳定可靠，且价格低廉。

技术领域

本发明属于流速测量和平板湍流领域，具体涉及以一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置及方法。

背景技术

流体的流动速度是流场最为基本的物理量，通过获得速度场，可以进一步得到流场的环量、涡量等物理量，从而全面掌握流场特征。获得流场速度，需要可靠的测量原理和设备，目前的流速测量方法主要使用毕托管、热线风速仪、激光多普勒流速仪和粒子图像测速仪，其他方法均是基于这些方法的基本原理演变而来的。

毕托管测速原理是流体力学的Bernoulli方程，要求流体运动条件为定常、理想无粘、不可压，受上述条件限制，毕托管测量的是平均流速或流量。且由于毕托管是单点、定常的接触式测量，易影响被测流场，因此毕托管主要应用于工业级测量或辅助验证，不能准确测量流场速度。热线风速仪的原理是金属丝的温度会随风速变化而变化，金属丝的温度变化又影响电信号输出，因此电信号的大小与风速有一一对应关系，测量电信号就可以获得风速。受测量原理限制，热丝长细比有一定要求，且多用于气体流速测量。

此外，流速在工程上的测量，常见有以下两种：第一代的旋桨式流速仪，在流速测量中被广泛应用，也是作为行业常用仪器而被国家标准所认可。但其易受漂浮物等的干扰。第二代的超声多普勒流速仪，是一种单点高精度的多普勒流速仪，与第一代不同，它为非接触式，专门用于水中流速的测量，且测量结果为三维。但它无法在含沙量大的环境中正常工作，且价格较为昂贵。

PVDF，Polyvinylidene Fluoride即聚偏二氟乙烯，是一种有机高分子压电材料。其压电电压系数比其它压电材料高很多倍，灵敏度高，传感性能好，测量频率范围宽，对环境变化表现很高的稳定性；制作成本低、易加工、重量轻，已广泛应用于水声、结构测量、医学测量、航空航海等领域。PVDF传感器已经用于流速的测量，专利CN204214888U使用新型设备支架和固定支架，通过导轨建立连接，流速PVDF压电传感器安装在设备支架下端外壁外侧，河流流向迎水面。此法测量流速，PVDF传感器安装方向垂直于河流流向，利用水流对传感器正面冲击的压力和流速大小的对应关系，可以用于测量风速和水流流速，但受到水深的限制。

目前尚未见利用平板湍流层流噪声辐射声强与流速对应关系的原理来测量流速的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于PVDF压电传感器的流速测量装置，由变频箱、风机、风管1、风速仪2、PVDF传感器3、BK动态信号分析仪4、计算机5组成；其中PVDF传感器3包括PVDF膜片6、硬质背衬塑料板7、引线8、电极9；变频箱控制风机转速，风机出风口接风管1，PVDF压电传感器3置于风管1末端，PVDF传感器每个阵元两极引出引线8接入BK动态信号分析仪4，BK动态信号分析仪4接入计算机5；风速仪2置于风管1中，位于PVDF膜片6上方，PVDF膜片6敷设在硬质背衬塑料板7表面。