杯式风速传感器启动风速校验系统的设计_行鸿彦
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
为了使杯式风速传感器测量数据的可靠性得 到 保 证 ，根 据 中 国 气 象 局 颁 布 的 《自 动 气 象 站 风 向 风 速 传 感 器 检 定 规 程 》要 求 ，应 定 期 对 风 速 传 感 器 进行校准及检定。及时发现指标不合格的风速传 感 器 ，并 及 时 进 行 维 修 或 更 换 ，使 风 速 传 感 器 的 测 量结果能达到相应指标的要求 。 ［２］ 对于杯式 风 速 传感器而言，启动 风 速 的 校 验 是 检 定 工 作 中 不 可 缺少的一项。为了实现对杯式风速传感器的现场 校验，可 将 启 动 风 速 转 换 为 启 动 力 矩，并 进 行 校 验。
· ５６ ·
气象水文海洋仪器
Ｍａｒ．２０１５
０ 引言
风速是气象学研究和应用中需要测量的８大 基本气象要素之一。国内外用于测量风速的仪器 品种繁多，其中应 用 最 为 广 泛 的 是 杯 式 风 速 传 感 器 。 ［１］ 但因长期在室外使用，受到风沙，雾凇 雨 水 的 侵 蚀 ，其 转 轴 极 易 磨 损 ，直 接 影 响 了 杯 式 风 速 传 感器的测量的准确性。
（２）
在转速ｎ 为零时，带入式（２）可以得到：
图 １ 硬 件 系 统 总 体 框 图
２．１ 应 变 式 拉 力 传 感
考虑到本系统所测量的杯式风速传感器的启
动力矩较小，故选 取 适 用 于 低 载 荷 测 量 的 双 梁 式
Ｓ型拉力传感器作为测力元件。该传感器属于应
变式拉力传感器，其 弹 性 梁 受 外 力 作 用 发 生 弹 性
应变式力传感器的输出电压与其激励电压成 正比。传感器激励电压的微小波动都会引起测量 结 果 的 偏 差 。 为 保 证 系 统 精 度 ，简 化 电 路 设 计 ，采 用比例 式 测 量 电 路 。 ［１０］ 比 例 式 测 量 电 路 中，ＡＤ 转换模块的参考电压和电桥的激励电压由同一电 源提供。意味着 对 Ａ／Ｄ 转 换 的 模 拟 输 入 和 参 考 电 压 来 说 ，噪 声 是 共 通 的 ，这 样 可 消 除 工 作 电 压 对 传感器输 出 信 号 的 影 响。Ａ／Ｄ 转 换 结 果 与 电 桥 激励电压与参考 电 压 无 关，而 只 与 桥 臂 的 电 阻 变 化量有关。这样简化 了 Ａ／Ｄ 转 换 器 参 考 电 压 的 电压源和电桥激励电压 源 的 设 计［１１］，而 且 能 够 保 证更好的精确度。比例式测量电路如图２所示。
数 。 根 据 式 （３），对 风 速 传 感 器 启 动 风 速 的 测 量 可
转换为对其启动力矩 Ｂ０ 的测量 。 ［５］
２ 硬件电路设计
利用惠斯通电桥可将电阻应变片阻值的变化 转化为电桥输出 电 压 的 变 化，但 满 量 程 输 出 电 压 只有几毫伏甚至 更 小，需 经 过 一 定 的 外 围 处 理 电 路才可送入 单 片 机 进 行 处 理 。 ［６，７］ 本 系 统 硬 件 电 路由应变式拉力传感器、模 拟 滤 波 电 路、ＡＤ 转 换 电路、单 片 机 电 路、光 电 开 关 电 路、显 示 及 存 储 电 路和串口通信电路组成。硬件系统的总体设计如 图１所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｐ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｂａｄ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｖａｌｕｅｓ ｔｈａｎ ｎｏｒｍａｌ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｆｏｒｃｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅ ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ ＭＣＵ ＭＳＰ４３０ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＡＤ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ． Ｂｅｓｉｄｅｓ，ａ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ ｉｓ ａｌｓｏ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｃｕｐ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｓｏ ａｓ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｏｒｔａｂｌｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｓｏ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｐ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ；ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｆｏｒｃｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ； ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
好变为连续转动时的最低气流速度称为杯式风速
传感器的启动风 速。 由 Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ 的 研 究 成 果 可 ［４］ 知，对 于 杯 式 风 速 传 感 器，在 风 压 的 作 用
下 ，风 杯 组 件 受 到 的 力 矩 为 ：
Ｍ ＝２ Ｎｕ２ －Ｄｕｎ
（１）
其中２ Ｎｕ２ 项为扭力矩，Ｄｕｎ 项为空气阻力矩。
本次设计以应 变 式 力 传 感 器 为 核 心，通 过 校 验杯式风速传感 器 的 启 动 力 矩，在 野 外 即 可 实 现 杯式风速传感器启动风速的现场校验及检定。无 需将杯式风速器送至专门的计量单位利用风洞装 置 进 行 检 定 ［３］，省 时 省 力 。
槡 ｕｍｉｎ ＝
Ｂ０ ２Ｎ
（３）
ｕｍｉｎ即 称 为 启 动 风 速，２ Ｎ ＝ρＡＲａｍ ，可 视 为 常 数。 其中：ρ为当前环境下 的 空 气 密 度；Ａ 为 风 杯 的 切 口面积；Ｒ 为 风 杯 的 旋 转 半 径；ａｍ 为 平 均 风 压 系
形变，导致粘贴在 其 表 面 的 应 变 片 的 电 阻 发 生 变
化。使用惠斯通 电 桥 作 为 转 换 电 路，可 以 将 其 电
阻信号的变化转换成电桥输出电压的变化。双梁
式Ｓ型拉力传感器的输出电压与所受的外力成线
性 关 系 ，易 于 移 植 到 单 片 机 内 进 行 计 算 ，数 学 表 达
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃｕｐ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ
Ｘｉｎｇ Ｈｏｎｇｙａｎ１，２，Ｌｉ Ｙａｎｇ１，２
（１．Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｎ Ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｉｓａｓｔｅｒｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４；２：Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４）
桥的输出电压。
第１期
行 鸿 彦 ，等 ：杯 式 风 速 传 感 器 启 动 风 速 校 验 系 统 的 设 计
· ５７ ·
２．２ ＡＤ 转换电路 采用 ２４ 位 Δ－Σ 型 模 数 Fra Baidu bibliotek 换 器 ＡＤＳ１２３２。
该器件内 置 低 漂 移、低 噪 声 的 ＰＧＡ，１ 个 四 阶 数 字滤波器和１个高阶限幅自稳调制器 。 ［９］ 增 益 可 设置为 １、２、６４、１２８，对 于 ５０／６０ Ｈｚ的 频 率 的 抑 制可达到１００ｄＢ 以上。在 输 出 数 据 率 为 １０ＳＰＳ 时，噪声 仅 为 １７ｎＶ（ＰＧＡ＝１２８）。ＡＤＳ１２３２ 适 合处 理 电 桥 输 出 的 差 分 信 号，并 可 将 滤 波，放 大， ＡＤ 转换的功 能 集 成 在 一 块 芯 片 内，减 少 了 由 于 器件引入的噪声，简 化 了 电 桥 外 围 测 量 电 路 的 设 计。 ２．３ 比 例 式 测 量
式如式如下 ： ［８］
Ｆ
＝
３（Ｌ
ｂｈ２ Ｅ －ａ／２－δ）ｋＵ
．ΔＵ
（４）
式中：Ｆ 为传感器所受的外力；δ 为梁端部到 应 变
片的距离；ａ 为应变片基长；ｂ为梁宽；ｈ 为梁厚；Ｅ
为弹性材料的 弹 性 模 量；Ｌ 为 梁 端 部 到 梁 中 心 的
距离；Ｋ 为 常 数；Ｕ 为 电 桥 的 激 励 电 压；ΔＵ 为 电
第１期 ２０１５ 年 ３ 月
气象水文海洋仪器
Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ，Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｒｉｎｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
Ｎｏ．１
Ｍａｒ．２０１５
杯式风速传感器启动风速校验系统的设计
行 鸿 彦１，２，李 阳１，２
（１．南京信息工程大学，气象灾害预报预警与评 估 协 同 创 新 中 心，南 京 ２１００４４；２．南 京 信 息 工 程 大 学，江 苏 省 气象探测与信息处理重点实验室，南京 ２１００４４）
１ 启动风速测量原理
杯式风速传 感 器 中，风 杯 组 件 由 ３ 个 半 球 形
或抛物锥形的空心 杯 壳 构 成，并 固 定 在 互 成 １２０°
的支架上。风杯 的 凹 面 顺 着 一 个 方 向 排 列，可 在
风压的作用下旋转。杯式风速传感器的旋转轴上
存 在 摩 擦 力 ，使 风 杯 恰 好 克 服 该 摩 擦 力 ，由 静 止 恰
当风速恒定时，风 杯 组 件 的 转 速 应 该 为 某 个
固 定 的 数 值 ，此 时 风 杯 组 件 所 受 到 的 合 力 矩 为 零 。
风杯组件受到的外力的合力矩 Ｍ 正好与它的机
械系统中 存 在 的 动 摩 擦 力 矩 Ｂ１ｎ 以 及 静 摩 擦 力
矩Ｂ０ 之和相抵消，即：
Ｂ１ｎ＋Ｂ０ ＝２ Ｎｕ２ －Ｄｕｎ
摘 要：杯式风速传感器是 目 前 应 用 最 为 广 泛 的 风 速 传 感 器，其 启 动 风 速 取 决 于 它 的 启 动 力 矩 ，不 良 的 轴 承 会 导 致 传 感 器 的 启 动 力 矩 比 正 常 值 偏 高 ，从 而 影 响 其 测 量 的 准 确 性 。 为 此 设 计 开 发 了 杯 式 风 速 传 感 器 启 动 风 速 检 验 系 统 ，该 系 统 以 应 变 式 力 传 感 器 为 测 力 元 件 ，ＭＳＰ４３０ 低 功耗单片机作为主控芯片，采用高精度 ＡＤ 转换芯片以及比例式测量技术保证了系统的精度， 辅以光电开关实现对杯式风速传感器启动力矩的 测 量，最 终 达 到 校 验 其 启 动 风 速 的 目 的。 本 系 统 功 耗 小 ，便 于 携 带 ，适 用 于 杯 式 风 速 传 感 器 启 动 力 矩 （启 动 风 速 ）的 现 场 校 验 。 关 键 词 ：启 动 风 速 ；启 动 力 矩 ；应 变 式 力 传 感 器 ；校 验 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２１２．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００６－００９Ｘ（２０１５）０１－００５５－０５
收 稿 日 期 ：２０１４－１０－３１． 基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 （批 准 号：６１０７２１３３），江 苏 省 产 学 研 联 合 创 新 资 金 计 划 （批 准 号：ＢＹ２０１３００７－０２，
ＢＹ２０１１１１２），江苏省高校科研成果产业化推进项 目 （批 准 号：ＪＨＢ２０１１－１５），江 苏 省 “信 息 与 通 信 工 程 ”优 势学科资助． 作 者 简 介 ：行 鸿 彦 （１９６２－），男 ，博 士 生 导 师 ．研 究 方 向 为 微 弱 信 号 检 测 与 处 理 、仪 器 仪 表 ．
· ５６ ·
气象水文海洋仪器
Ｍａｒ．２０１５
０ 引言
风速是气象学研究和应用中需要测量的８大 基本气象要素之一。国内外用于测量风速的仪器 品种繁多，其中应 用 最 为 广 泛 的 是 杯 式 风 速 传 感 器 。 ［１］ 但因长期在室外使用，受到风沙，雾凇 雨 水 的 侵 蚀 ，其 转 轴 极 易 磨 损 ，直 接 影 响 了 杯 式 风 速 传 感器的测量的准确性。
（２）
在转速ｎ 为零时，带入式（２）可以得到：
图 １ 硬 件 系 统 总 体 框 图
２．１ 应 变 式 拉 力 传 感
考虑到本系统所测量的杯式风速传感器的启
动力矩较小，故选 取 适 用 于 低 载 荷 测 量 的 双 梁 式
Ｓ型拉力传感器作为测力元件。该传感器属于应
变式拉力传感器，其 弹 性 梁 受 外 力 作 用 发 生 弹 性
应变式力传感器的输出电压与其激励电压成 正比。传感器激励电压的微小波动都会引起测量 结 果 的 偏 差 。 为 保 证 系 统 精 度 ，简 化 电 路 设 计 ，采 用比例 式 测 量 电 路 。 ［１０］ 比 例 式 测 量 电 路 中，ＡＤ 转换模块的参考电压和电桥的激励电压由同一电 源提供。意味着 对 Ａ／Ｄ 转 换 的 模 拟 输 入 和 参 考 电 压 来 说 ，噪 声 是 共 通 的 ，这 样 可 消 除 工 作 电 压 对 传感器输 出 信 号 的 影 响。Ａ／Ｄ 转 换 结 果 与 电 桥 激励电压与参考 电 压 无 关，而 只 与 桥 臂 的 电 阻 变 化量有关。这样简化 了 Ａ／Ｄ 转 换 器 参 考 电 压 的 电压源和电桥激励电压 源 的 设 计［１１］，而 且 能 够 保 证更好的精确度。比例式测量电路如图２所示。
数 。 根 据 式 （３），对 风 速 传 感 器 启 动 风 速 的 测 量 可
转换为对其启动力矩 Ｂ０ 的测量 。 ［５］
２ 硬件电路设计
利用惠斯通电桥可将电阻应变片阻值的变化 转化为电桥输出 电 压 的 变 化，但 满 量 程 输 出 电 压 只有几毫伏甚至 更 小，需 经 过 一 定 的 外 围 处 理 电 路才可送入 单 片 机 进 行 处 理 。 ［６，７］ 本 系 统 硬 件 电 路由应变式拉力传感器、模 拟 滤 波 电 路、ＡＤ 转 换 电路、单 片 机 电 路、光 电 开 关 电 路、显 示 及 存 储 电 路和串口通信电路组成。硬件系统的总体设计如 图１所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｐ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｂａｄ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｖａｌｕｅｓ ｔｈａｎ ｎｏｒｍａｌ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｆｏｒｃｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅ ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ ＭＣＵ ＭＳＰ４３０ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＡＤ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ． Ｂｅｓｉｄｅｓ，ａ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ ｉｓ ａｌｓｏ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｃｕｐ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｓｏ ａｓ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｏｒｔａｂｌｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｓｏ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｐ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ；ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｆｏｒｃｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ； ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
好变为连续转动时的最低气流速度称为杯式风速
传感器的启动风 速。 由 Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ 的 研 究 成 果 可 ［４］ 知，对 于 杯 式 风 速 传 感 器，在 风 压 的 作 用
下 ，风 杯 组 件 受 到 的 力 矩 为 ：
Ｍ ＝２ Ｎｕ２ －Ｄｕｎ
（１）
其中２ Ｎｕ２ 项为扭力矩，Ｄｕｎ 项为空气阻力矩。
本次设计以应 变 式 力 传 感 器 为 核 心，通 过 校 验杯式风速传感 器 的 启 动 力 矩，在 野 外 即 可 实 现 杯式风速传感器启动风速的现场校验及检定。无 需将杯式风速器送至专门的计量单位利用风洞装 置 进 行 检 定 ［３］，省 时 省 力 。
槡 ｕｍｉｎ ＝
Ｂ０ ２Ｎ
（３）
ｕｍｉｎ即 称 为 启 动 风 速，２ Ｎ ＝ρＡＲａｍ ，可 视 为 常 数。 其中：ρ为当前环境下 的 空 气 密 度；Ａ 为 风 杯 的 切 口面积；Ｒ 为 风 杯 的 旋 转 半 径；ａｍ 为 平 均 风 压 系
形变，导致粘贴在 其 表 面 的 应 变 片 的 电 阻 发 生 变
化。使用惠斯通 电 桥 作 为 转 换 电 路，可 以 将 其 电
阻信号的变化转换成电桥输出电压的变化。双梁
式Ｓ型拉力传感器的输出电压与所受的外力成线
性 关 系 ，易 于 移 植 到 单 片 机 内 进 行 计 算 ，数 学 表 达
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃｕｐ ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ
Ｘｉｎｇ Ｈｏｎｇｙａｎ１，２，Ｌｉ Ｙａｎｇ１，２
（１．Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｎ Ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｉｓａｓｔｅｒｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４；２：Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４）
桥的输出电压。
第１期
行 鸿 彦 ，等 ：杯 式 风 速 传 感 器 启 动 风 速 校 验 系 统 的 设 计
· ５７ ·
２．２ ＡＤ 转换电路 采用 ２４ 位 Δ－Σ 型 模 数 Fra Baidu bibliotek 换 器 ＡＤＳ１２３２。
该器件内 置 低 漂 移、低 噪 声 的 ＰＧＡ，１ 个 四 阶 数 字滤波器和１个高阶限幅自稳调制器 。 ［９］ 增 益 可 设置为 １、２、６４、１２８，对 于 ５０／６０ Ｈｚ的 频 率 的 抑 制可达到１００ｄＢ 以上。在 输 出 数 据 率 为 １０ＳＰＳ 时，噪声 仅 为 １７ｎＶ（ＰＧＡ＝１２８）。ＡＤＳ１２３２ 适 合处 理 电 桥 输 出 的 差 分 信 号，并 可 将 滤 波，放 大， ＡＤ 转换的功 能 集 成 在 一 块 芯 片 内，减 少 了 由 于 器件引入的噪声，简 化 了 电 桥 外 围 测 量 电 路 的 设 计。 ２．３ 比 例 式 测 量
式如式如下 ： ［８］
Ｆ
＝
３（Ｌ
ｂｈ２ Ｅ －ａ／２－δ）ｋＵ
．ΔＵ
（４）
式中：Ｆ 为传感器所受的外力；δ 为梁端部到 应 变
片的距离；ａ 为应变片基长；ｂ为梁宽；ｈ 为梁厚；Ｅ
为弹性材料的 弹 性 模 量；Ｌ 为 梁 端 部 到 梁 中 心 的
距离；Ｋ 为 常 数；Ｕ 为 电 桥 的 激 励 电 压；ΔＵ 为 电
第１期 ２０１５ 年 ３ 月
气象水文海洋仪器
Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ，Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｒｉｎｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
Ｎｏ．１
Ｍａｒ．２０１５
杯式风速传感器启动风速校验系统的设计
行 鸿 彦１，２，李 阳１，２
（１．南京信息工程大学，气象灾害预报预警与评 估 协 同 创 新 中 心，南 京 ２１００４４；２．南 京 信 息 工 程 大 学，江 苏 省 气象探测与信息处理重点实验室，南京 ２１００４４）
１ 启动风速测量原理
杯式风速传 感 器 中，风 杯 组 件 由 ３ 个 半 球 形
或抛物锥形的空心 杯 壳 构 成，并 固 定 在 互 成 １２０°
的支架上。风杯 的 凹 面 顺 着 一 个 方 向 排 列，可 在
风压的作用下旋转。杯式风速传感器的旋转轴上
存 在 摩 擦 力 ，使 风 杯 恰 好 克 服 该 摩 擦 力 ，由 静 止 恰
当风速恒定时，风 杯 组 件 的 转 速 应 该 为 某 个
固 定 的 数 值 ，此 时 风 杯 组 件 所 受 到 的 合 力 矩 为 零 。
风杯组件受到的外力的合力矩 Ｍ 正好与它的机
械系统中 存 在 的 动 摩 擦 力 矩 Ｂ１ｎ 以 及 静 摩 擦 力
矩Ｂ０ 之和相抵消，即：
Ｂ１ｎ＋Ｂ０ ＝２ Ｎｕ２ －Ｄｕｎ
摘 要：杯式风速传感器是 目 前 应 用 最 为 广 泛 的 风 速 传 感 器，其 启 动 风 速 取 决 于 它 的 启 动 力 矩 ，不 良 的 轴 承 会 导 致 传 感 器 的 启 动 力 矩 比 正 常 值 偏 高 ，从 而 影 响 其 测 量 的 准 确 性 。 为 此 设 计 开 发 了 杯 式 风 速 传 感 器 启 动 风 速 检 验 系 统 ，该 系 统 以 应 变 式 力 传 感 器 为 测 力 元 件 ，ＭＳＰ４３０ 低 功耗单片机作为主控芯片，采用高精度 ＡＤ 转换芯片以及比例式测量技术保证了系统的精度， 辅以光电开关实现对杯式风速传感器启动力矩的 测 量，最 终 达 到 校 验 其 启 动 风 速 的 目 的。 本 系 统 功 耗 小 ，便 于 携 带 ，适 用 于 杯 式 风 速 传 感 器 启 动 力 矩 （启 动 风 速 ）的 现 场 校 验 。 关 键 词 ：启 动 风 速 ；启 动 力 矩 ；应 变 式 力 传 感 器 ；校 验 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２１２．１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００６－００９Ｘ（２０１５）０１－００５５－０５
收 稿 日 期 ：２０１４－１０－３１． 基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 （批 准 号：６１０７２１３３），江 苏 省 产 学 研 联 合 创 新 资 金 计 划 （批 准 号：ＢＹ２０１３００７－０２，
ＢＹ２０１１１１２），江苏省高校科研成果产业化推进项 目 （批 准 号：ＪＨＢ２０１１－１５），江 苏 省 “信 息 与 通 信 工 程 ”优 势学科资助． 作 者 简 介 ：行 鸿 彦 （１９６２－），男 ，博 士 生 导 师 ．研 究 方 向 为 微 弱 信 号 检 测 与 处 理 、仪 器 仪 表 ．