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一文读懂风向风速传感器

导读: 作为一种对天气测量的设备,用来测量风的方向在大小的的风速传感器和风向传感器在各行各业也得到了广泛的应用,下面我们就看看这两种设备。

如何测量风速和风向,其实在古代很早就已经出现,著名的诸葛亮借东风火烧壁,就是因为有效的掌握了风向和风速方面的知识,从而取得了军事的重大胜利。

作为一种对天气测量的设备,用来测量风的方向在大小的的风速传感器和风向传感器在各行各业也得到了广泛的应用,下面我们就看看这两种设备。

风向传感器

风向传感器是以风向箭头的转动探测、感受外界的风向信息,并将其传递给同轴码盘,同时输出对应风向相关数值的一种物理装置。

通常风向传感器主体都采用风向标的机械结构,当风吹向风向标的尾部的尾翼的时候,风向标的箭头就会指风吹过来的方向。为了保持对于方向的敏感性,同时还采用不同的内部机构来给风速传感器辨别方向。通常有以下三类:

电磁式风向传感器:利用电磁原理设计,由于原理种类较多,所以结构与有所不同,目前部分此类传感器已经开始利用陀螺仪芯片或者电子罗盘作为基本元件,其测量精度得到了进一步的提高。

光电式风向传感器:这种风向传感器采用绝对式格雷码盘作为基本元件,并且使用了特殊定制的编码编码,以光电信号转换原理,可以准确的输出相对应的风向信息。

电阻式风向传感器:这种风向传感器采用类似滑动变阻器的结构,将产生的电阻值的最大值与最小值分别标成360°与0°,当风向标产生转动的时候,滑动变阻器的滑杆会随着顶部的风向标一起转动,而产生的不同的电压变化就可以计算出风向的角度或者方向了。

风速传感器

风速传感器是一种可以连续测量风速和风量(风量=风速x横截面积)大小的常见传感器。

风速传感器大体上分为机械式(主要有螺旋桨式、风杯式)风速传感器、热风式风速传感器、皮托管风速传感器和基于声学原理的超声波风速传感器。

螺旋桨式风速传感器工作原理

我们知道电扇由电动机带动风扇叶片旋转,在叶片前后产生一个压力差,推动气流流动。螺旋浆式风速计的工作原理恰好与此相反,对准气流的叶片系统受到风压的作用,产生一定的扭力矩使叶片系统旋转。通常螺旋桨式速传感器通过一组三叶或四叶螺旋桨绕水平轴旋转来测量风速,螺旋桨一般装在一个风标的前部,使其旋转平面始终正对风的来向,它的转速正比于风速。

风杯式风速传感器工作原理

风杯式风速传感器,是一种十分常见的风速传感器,最早由英国鲁宾孙发明。感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空心杯壳固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上,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。

当风从左方吹来时,风杯1与风向平行,风对风杯1的压力在最直于风杯轴方向上的分力近似为零。风杯2与3同风向成60度角相交,对风杯2而言,其凹面迎着风,承受的风压最大;风杯3其凸面迎风,风的绕流作用使其所受风压比风杯2小,由于风杯2与风杯3在垂直于风杯轴方向上的压力差,而使风杯开始顺时针方向旋转,风速越大,起始的压力差越大,产生的加速度越大,风杯转动越快。

风杯开始转动后,由于杯2顺着风的方向转动,受风的压力相对减小,而杯3迎着风以同样的速度转动,所受风压相对增大,风压差不断减小,经过一段时间后(风速不变时),作用在三个风杯上的分压差为零时,风杯就变作匀速转动。这样根据风杯的转速(每秒钟转的圈数)就可以确定风速的大小。

当风杯转动时,带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动,通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号,该脉冲信号由计数器计数,经换算后就能得出实际风速值。目前新型转杯风速表均是采用三杯的,并且锥形杯的性能比半球形的好,当风速增加时转杯能迅速增加转速,以适应气流速度,风速减小时,由于惯性影响,转速却不能立即下降,旋转式风速表在阵性风里指示的风速一般是偏高的成为过高效应(产生的平均误差约为10%)

热式风速传感器工作原理

热式风速传感器以热丝(钨丝或铂丝) 或是以热膜(铂或铬制成薄膜) 为探头,裸露在被测空气,并将它接入惠斯顿电桥,通过惠斯顿电桥的电阻或电流的平衡关系,检测出被测截面空气的流速。热膜式风速传感器的热膜外涂有极薄 的石英膜绝缘层,以便和流体绝缘,并可防止污染,可在带有颗粒的气流中工作,其强度比金属热线丝高。

当空气温度稳定不变时,热丝上的耗电功率等于热丝在空气中瞬时耗去的热量。热丝电阻随温度而变化,热线的电阻和热线温度在通常温度范围(0~300 ℃) 之内,表现为线性关系。放热系数与气流速度有关,流速越大,对应的放热系数也越大,即散热快;流速小,则散热慢。

热式风速传感器所测气流速度是电流与电阻的函数。将电流(或电阻) 保持不变,所测气流速度仅与电阻(或电流) 一一对应。

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