风速计测试分类和测试原理

风速计测试分类和测试原理

风速计（anemometer）是用来测量空气流动速度大小和方向的仪器。本文主要介绍一下常见的风速计测试原理和发展情况。

常见的风速传感器有以下几种：

(1）机械风杯式风速风向传感器。测风速的转轴和测风向的转轴都有一定的摩擦，随着时间的推移会影响到测量精度；

（2）超声波风速风向传感器，利用无风和有风时超声波在空气中传播速度的不同来测出风速，其精度高，但价格昂贵；

（3）热电式风速风向传感器，通过检测风流动时带走的热量多少来检测电阻的变化，从而得出风速；

（4）基于电容的风速风向传感器, 传感器由四个相互正交的电容器构成, 每个电容器包括可动极板和固定极板, 通过传感器将风速转换为可动极板的位移, 通过测量四个电容器的电容来检测风速；

(5)压差式风速风向传感器，利用皮托管和压力传感器测试出动压，然后计算得到风速。

（6）气压式风速风向传感器，风垂直吹到压力传感器的受力面会有电学信号输出，缺点是进气口容易被异物堵塞，如灰尘、落叶、鸟类粪便等；

常见风速计介绍：

第一类是机械旋转式传感器。这种结构一般带有风杯和带风向箭头。风杯用来测风速，风向箭头用来测风向。一般的风杯式风速仪由 3 个半球形的空杯组成，风杯安装在呈120°角的支撑杆上，每个杯的方向都沿着同一个方向排列，支撑杆固定在一个竖直在固定台面上的一个支架上。

图1 机械旋转式风杯风速计

图1为机械旋转式风杯风速计。风杯通过轴承与支撑架连接，工作时一直有机械动作。随着轴承的老化和灰尘的干扰，轴承间的摩擦力会变大，灵敏度和精准度大大降低，风越小摩擦阻力就越大，风越大摩擦阻力就越小，故在测量比较小的风速时其误差相对较大。轴承的机械特性决定了机械旋转式风杯风速计使用寿命比较短，一般每隔一年就需要校准和轴承维护。

第二类是基于超声波原理的风速风向仪，利用超声波与风场的作用来检测风速。超声波在大气中的传播速度受到风速影响的原理，检测出不同角度的超声波返回值的差值，通过计算得到风速的大小。

图2 超声风速计

图2为超声风速计。传感器在顺风和逆风时接受到信号的时间会有差距，根据这个时间差，就可以算出风速的大小。

第三类是用风场对金属片的局部散热，判断不同部位金属片的温度大小，进而得知风的大小和方向。散热率法是利用流速与散热率成对应关系原理而设计的，这一类方法所测最小流速为0.05-0.5m/s,适宜于低流速测量。但此类仪表仪格昂贵、专业性强、在实际推广中受到限制。散热式风速传感器在测量时要求散热体的方向要和气流的方向垂直，如不垂直其测量出的结果都不相同。此类传感器测试精度不够高，遇到下雨天或冰冻是无法克服的，且随着外界温度的激烈变化，此传感器很难适应，目前应用不是很广泛。

图3 基于散热原理的风速计

风向测量：

(1) 机械式风向标。它由首尾不对称的平衡装置构成，一般由尾翼、指向标、平衡锤和旋转轴组成，尾翼感受风力致使其产生力矩发生旋转。由于机械式风向标在工作时要克服机械摩擦，会有一定的启动风速，这就导致了在测量很小风速时测不准的情况，无法判断风向，这样会增大风向的测量误差。

(2) 矢量运算的方法。这种方法出现在利用四个电容或者压阻或者压力传感器测试时，风向可以通过计算三角函数推导得到。