專利名稱：風(fēng)速風(fēng)向儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)速風(fēng)向測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
風(fēng)速風(fēng)向測量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛如在氣象領(lǐng)域，為臺風(fēng)的監(jiān)測提供準(zhǔn)確 數(shù)據(jù)；在民航領(lǐng)域中，為飛機(jī)起降提供可靠的風(fēng)速風(fēng)向參考；公路橋梁建設(shè)中，為其設(shè) 計(jì)與施工提供依據(jù)；在新能源領(lǐng)域，尤其是發(fā)展前景很好的風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中，測風(fēng)技術(shù) 具有重要的作用。 在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的測風(fēng)設(shè)備為風(fēng)杯與風(fēng)向標(biāo)組成的測風(fēng)系統(tǒng)， 面臨的主要問題是機(jī)械式旋轉(zhuǎn)部件易磨損，在氣候發(fā)生變化時可能發(fā)生冰凍、阻塞、斷 裂等；目前，超聲測風(fēng)技術(shù)以其很高的精度和非接觸特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注和深入的研
究，而國內(nèi)的高性能產(chǎn)品尚處于研究階段，國外較復(fù)雜的超聲測風(fēng)儀精度高，但價(jià)格昂
蟲 貝°

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種精度較高、穩(wěn)定性好、成本低廉，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力 發(fā)電、氣象、交通、建設(shè)等領(lǐng)域的風(fēng)速風(fēng)向測量儀。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的風(fēng)速風(fēng)向儀，包括測風(fēng)頭、信號處理裝置， 其中測風(fēng)頭由殼體、拉壓力傳感器、支撐部件構(gòu)成，支撐部件含有支撐桿與緊固件?？?心殼體水平截面為圓形，圓截面上分布有三只拉壓力傳感器，圍繞圓心成12(T對稱分 布，傳感器一端固定于殼體內(nèi)壁上，另一端固定于支撐桿上。殼體與支撐桿無直接接 觸，它在風(fēng)中所受壓力，簡稱風(fēng)壓力，通過三只傳感器匯聚于支撐桿上，傳感器對殼體 的作用力與風(fēng)對殼體的壓力相平衡，故傳感器感受到的三個拉壓力之合力與風(fēng)壓力相對 應(yīng)。風(fēng)壓力的方向指示風(fēng)向，風(fēng)壓力的大小與風(fēng)速成一定的函數(shù)關(guān)系，它決定于殼體形 狀尺寸，可由流體力學(xué)理論算出或由風(fēng)洞試驗(yàn)標(biāo)定獲得。傳感器將拉壓力轉(zhuǎn)換為電信 號，在信號處理裝置中對其進(jìn)行調(diào)理和計(jì)算，得到風(fēng)速風(fēng)向。 上述殼體，水平截面為圓形，以保證風(fēng)向改變時迎風(fēng)面相同；有一定的剛性， 在受到風(fēng)的壓力時形變很小，保證了測量精度。 上述拉壓力傳感器，安裝時須滿足應(yīng)變片在正常工作中所感應(yīng)力的方向?yàn)樗?方向；三個傳感器規(guī)格相同，它們中心線位于同一水平面上，且延長線相交于殼體中軸 線上一點(diǎn)，夾角互為120° ，成Y型分布。 殼體受到的風(fēng)壓力與風(fēng)速風(fēng)向的存在一定的函數(shù)關(guān)系，三個拉壓力傳感器分擔(dān) 的拉壓力的合力與殼體所受的風(fēng)壓力大小相等方向相同，因此測量三個傳感器的拉壓力 信號，得到三個在同一水平面上關(guān)于中軸線120°對稱的拉力或壓力，通過簡單的力學(xué)合 成分析，就可以根據(jù)三個方向分力的矢量求和得到合力的大小與方向，獲得風(fēng)速與風(fēng)向 的指示信號。 信號處理裝置，包括調(diào)理電路與運(yùn)算模塊。通過調(diào)理電路對傳感器輸出的電信號進(jìn)行調(diào)理；在運(yùn)算模塊中，依據(jù)電信號-拉壓力、拉壓力-風(fēng)壓力以及風(fēng)壓力-風(fēng)速風(fēng) 向的對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)出運(yùn)算方法，將三路電信號相繼還原為三個方向的分力、風(fēng)壓力、 風(fēng)速風(fēng)向。 本發(fā)明中測風(fēng)頭為殼體與拉壓力傳感器組成的特殊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中風(fēng)速風(fēng)向與 風(fēng)壓力之間存在對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此計(jì)算出風(fēng)速風(fēng)向。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，方法可靠，可滿足 精度較高、穩(wěn)定性好、成本低廉的要求。


本發(fā)明

圖1為本發(fā)明測風(fēng)頭原理圖。
圖2為本發(fā)明測風(fēng)頭圓柱殼體與傳感器裝配示意圖。
圖3為本發(fā)明風(fēng)速風(fēng)向測量裝置框圖。
圖4為本發(fā)明運(yùn)算模塊程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的測風(fēng)頭原理如圖1所示 殼體l，水平截面為圓形，可以采用圓柱殼體或橢球殼體實(shí)現(xiàn)。其圓柱殼體結(jié)構(gòu) 的實(shí)現(xiàn)方式見圖2。依據(jù)殼體的形狀尺寸，確定殼體所受風(fēng)壓力與風(fēng)速風(fēng)向的對應(yīng)關(guān)系， 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出風(fēng)速風(fēng)向的計(jì)算方法。 傳感器2-l、 2-2、 2-3，均采用同參數(shù)拉壓力傳感器，在同一水平面上成Y型 120°對稱分布，在殼體受到風(fēng)的壓力時，承擔(dān)相應(yīng)方向的分力，并將其轉(zhuǎn)換成電信號。
支撐部件3，位于殼體中軸線上，包含支撐桿和緊固件，固定傳感器的一端，支 撐部件與殼體之間通過傳感器連接。 風(fēng)速風(fēng)向儀組成如圖3所示，測風(fēng)頭拉壓力傳感器將拉壓力轉(zhuǎn)換為電信號，輸 入到信號處理裝置；信號處理裝置包括調(diào)理電路4，運(yùn)算模塊5，對電信號進(jìn)行調(diào)理和計(jì) 算，得到風(fēng)速風(fēng)向。 調(diào)理電路4，主要包括運(yùn)算放大器和光耦芯片，將傳感器輸出的毫伏級電壓信號 放大為控制芯片可接受的信號，且實(shí)現(xiàn)電信號的線性隔離。 運(yùn)算模塊5，主要由MCU芯片、電源、通信電路組成，對信號的處理過程見圖 4。首先，對輸入的電信號進(jìn)行AD采樣，之后對三路數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量求和運(yùn)算，從而得 到殼體所受風(fēng)壓力的大小和方向，進(jìn)一步根據(jù)風(fēng)壓力的大小和方向與風(fēng)速風(fēng)向的對應(yīng)關(guān) 系，求出風(fēng)速風(fēng)向，并可與上位機(jī)通信并進(jìn)行顯示。
權(quán)利要求
一種風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，具有測風(fēng)頭與信號處理裝置，其特征在于所述測風(fēng)頭由殼體(1)、傳感器(2)、支撐桿(3)構(gòu)成；殼體(1)為中心對稱結(jié)構(gòu)，其水平截面為圓形；傳感器(2)，三只同規(guī)格，中心線均位于殼體內(nèi)部水平圓截面上且圍繞圓心成120°對稱分布，傳感器一端固定于殼體內(nèi)壁上，另一端固定于支撐桿上；支撐桿(3)位于殼體軸線位置，與殼體無接觸；三只拉壓力傳感器的輸出信號送入信號處理裝置。
2. —種風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于測風(fēng)頭處在一定風(fēng)速風(fēng)向的空氣流場中， 殼體周圍存在空氣壓差，因而感受到風(fēng)的壓力。力的方向指示風(fēng)向，力的大小與風(fēng)速成 一定的函數(shù)關(guān)系，它與殼體的形狀及尺寸有關(guān)，可由流體力學(xué)理論計(jì)算得到或由風(fēng)洞試 驗(yàn)獲得；此力由殼體內(nèi)部三個對稱分布的拉壓力傳感器分擔(dān)，形成關(guān)于軸線120。對稱 的三個拉力或壓力，即三個拉壓力的合力與殼體所受風(fēng)壓力相對應(yīng)；三個拉壓力傳感器 把各自的受力轉(zhuǎn)換為電信號，信號處理裝置分析電信號，還原合力，依據(jù)合力的方向指 示風(fēng)向，依據(jù)合力的大小由風(fēng)速函數(shù)關(guān)系計(jì)算出風(fēng)速。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)速風(fēng)向測量技術(shù)，旨在提供一種精度較高、穩(wěn)定性好、成本低廉的風(fēng)速風(fēng)向儀。它包括測風(fēng)頭與信號處理裝置，其中測風(fēng)頭由殼體、拉壓力傳感器、支撐桿構(gòu)成。空心殼體內(nèi)部水平圓截面上分布有三只同規(guī)格拉壓力傳感器，圍繞圓心120°對稱分布，一端固定于殼體內(nèi)壁，另一端固定于支撐桿上。殼體與支撐桿無接觸，殼體所受風(fēng)壓力通過傳感器匯聚于支撐桿上，故傳感器拉壓力的合力與風(fēng)壓力相對應(yīng)。壓力方向指示風(fēng)向，壓力大小與風(fēng)速成一定函數(shù)關(guān)系，它決定于殼體形狀尺寸，可由流體力學(xué)理論算出或由風(fēng)洞試驗(yàn)獲得。傳感器將拉壓力轉(zhuǎn)換為電信號，送入信號處理裝置計(jì)算風(fēng)速風(fēng)向。本發(fā)明既可用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，也可應(yīng)用于氣象、交通等領(lǐng)域。
文檔編號G01W1/04GK101692097SQ200910181638
公開日2010年4月7日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者卜飛飛, 胡育文, 許云輕, 黃文新 申請人:南京航空航天大學(xué)