风速风向监测系统

风速风向监测系统

一）简介：

风是由许多小尺度的脉动，叠加在大尺度规则气流上的三维矢量。但在气象学上，却把空气的水平移动叫作风，即把它作为二维矢量来考虑。由两个参数来确定，即风速（风矢量的模数）和风向（风矢量的幅角）。

空气团运动速度的方向称为风向。如果气流从东吹来就称为东风。风向可由风向标，等仪器指示出来，从风向标与一固定不变的主方位指示杆之间的相对位置就可以观测出风向。

风向标是由风尾、指向杆、平衡重锤和旋转主轴四个部分组成，见图1。风尾是感受风力的部件，在风力的作用下产生旋转力矩，使指示杆-风尾轴线不断调整它的取向，与风向保持一致。指向杆指向风的来向。平衡重锤安装在指向杆上，使整个风向标对支点保持重力矩平衡。旋转主轴则是风向标的转动中心，并通过它带动传感器件，把风向标指示的度数传送到室内的指示仪器上。

图 1.

测量风速的仪表可以分为三大类：旋转式、压力式和其他形式。我们采用的是旋转式风速表。

最常用的旋转式风速表是如图1的风杯式风速表。在这种风速表里，由3个风杯与短轴连接组成的转子在球轴承上旋转，转轴下部驱动一个被包围的在定子中的多级永磁体。指示器测出随风速变化的电压，显示对应的风速值。当风速达到1~2m/s时，风杯式风速表就可以启动了。风速由10m/s突然变化到20m/s时。风速表记录到19m/s值的响应时间为1.3s。

还有如同微型多叶片风力机的风速表，如图2所示。由于它的风轮叶片多，因而风轮工作转速低，需要增速齿轮增速后再获取风速测量值；此外，它的启动风速也低。

图2

上面两种各有特点和优劣。风杯式风速表可以保持其转速与所测风速有良好的线性关系，但是所需要的启动风速高，相应的灵敏度也就差些。而微型多叶片风速表刚好与之相反。

所以，多叶片风速表主要用于实验室，而风杯式风速表则可用于野外等恶劣气候条件。

由原理可知，我们只需测得转速，便可有转速-风速的线性关系求得风速。我们采用的是电子数字式转速表来作为转速测量的仪器。这是应用最广泛的精密测量转速的方法之一。其特点是具有量程宽，准确度高，便于携带，输出数字信息，可以方便地与微型计算机、打印机相结合，实现转速的自动记录、数字处理和反馈控制。

二）原理与设计：

1）风速部分：

测量原理：电子数字式转速表由数字式转速传感器和电子计数电路组成。传感器将转轴的速度转换为电脉冲信号，经电路放大、整形后送电子计数器显示相应的被测转速值。一般对中、高转速采用频率法，对低转速采用周期法测量。

风速传感器：其功能是将被测旋转体的转速变换成电脉冲信号，并且能够推动计数器计数。

风向风速传感器风杯由三个抛物锥形的空心杯壳组成。空心杯壳固定在互成120°的三叉星形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。风杯结构和尺寸决定了风速传感器的技术性能，较小的起动风速和较好的距离常数要求风杯越轻越好；较大的抗风强度要求风杯越坚固越好，即风杯碗壁应该尽量厚；显而易见该二项是相互矛盾的。因此，合理的设计，就是兼顾各种技术性能。

三杯式风速传感器的距离常数计算公式为：

L=6*ρc/ρ*δ/ [1＋（r/R）²]

其中：ρc——风杯材料的比重

ρ——空气密度

δ——风杯厚度

α——与结构尺寸有关的系数

r ——风杯半径

R ——风杯中心回转半径

设计：r=4cm, R=12cm,δ=0.5cm,ρc=0.7*103kg/m3

数字测速电路：由LM2907构成的转速表电路，利用磁阻式转速传感器获取转速信号。齿盘就固定在旋转轴上，在齿盘上加工有60个等间隔的齿。传感器内部包含永久磁铁和感应线圈，它与齿盘的间隙大约调整到1mm。当齿盘旋转时，间隙处的磁阻就发生变化，在线圈上可感应出电脉冲信号。齿盘每旋转一周，传感器就发出60个电脉冲。f经过A1后，利用充电泵完成频率／电压转换。C1、R1和C2是充电泵的外部元件。R2是输出电阻。RP 是频率校准电位器。C3是滤波电容。

磁阻式转速传感器：选择S-CZ磁阻式转速传感器

S-CZ磁阻式转速传感器采用电磁感应原理达到测速功能，抗干扰性能好，具有输出信号大，无需外接电源，可在烟雾，水气，油气等恶劣环境中使用。多用于测量转速、周期、速度。广泛应用于机械、冶金、石油、化工、交通、自控、军用、汽车ABS 、出租车记价器、摩托车发动机转速、火车车轮转速、飞机发动机转速等各个领域。

齿轮材料：应采用导磁率强的金属材料。

齿形：成渐开线齿形是最合适的齿形，用大模数的齿形或用

其它的齿形将会产生巨大的波形畸变，这将会妨碍精确的测量，

如果主轴有轴向移动，则要注意磁极的中心应处在齿轮的中心位

置上。

转速（n/min）70 100 224 342 477 665 920 1167 1505

输出电压(v) 0.8 1 2 3 4 5 6 7 8.5

转速（n/min）2080 2509 3050 3606 4334 4620

输出电压(v) 10 12 13 15 17.5 18.5

由LM2907构成的转速表电路

(P.S.磁阻式传感器可用输入阻抗为800Ω的耳塞机改装而成。若在每个齿上镶嵌一块永久磁铁，就变成了磁电式传感器。此外还可采用光电式、霍尔元件式转速传感器。数字式转速表记录方便、精确、容易和计算机联结进行控制和参数计算。测量范围从每分钟几万转到几十天一转，因此在工程测试中使用广泛。)

2）风向部分：

原理：风向传感器采用低惯性轻金属的风向标响应风向，当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动。

风向感应器:风向感应器为单板风标。当风标转动时，带动七位格雷码盘，码盘的径向按格雷码编码，透光表示1，不透光表示0。码盘直接固定在风向标的转动轴上，随风向标一起转动，在光电码盘各个码位的上下分别安装发光管和光电管。当风标随风向的变化而带动码盘转动时，对应每个方位，码盘都有一组相应的七位编码，发光二级管和光电三级管产生对应这组编码的一串光电格雷码编码信号，经放大整形后，就可将风向标的位置信号通过码盘的编码转变为脉冲编码输出，格雷码每个相邻码道只有一位码发生变化，可有效地避免二进制编码两个码道不同步而产生的误码。

在选用风向标的结构和造型上主要考虑二点：

（a）在小风时能反应风向的变动，既有良好的起动性能。

（b）具有良好的动态特性，既能迅速准确地跟踪外界的风向变化。