光電式風(fēng)向傳感器利用的原理設(shè)計

如何測量風(fēng)速和風(fēng)向，其實在古代很早就已經(jīng)出現(xiàn)，著名的諸葛亮借東風(fēng)火燒壁，就是因為有效的掌握了風(fēng)向和風(fēng)速方面的知識，從而取得了軍事的重大勝利。

作為一種對天氣測量的設(shè)備，用來測量風(fēng)的方向在大小的的風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器在各行各業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用，下面我們就看看這兩種設(shè)備。

風(fēng)向傳感器

風(fēng)向傳感器是以風(fēng)向箭頭的轉(zhuǎn)動探測、感受外界的風(fēng)向信息，并將其傳遞給同軸碼盤，同時輸出對應(yīng)風(fēng)向相關(guān)數(shù)值的一種物理裝置。

通常風(fēng)向傳感器主體都采用風(fēng)向標(biāo)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)向標(biāo)的尾部的尾翼的時候，風(fēng)向標(biāo)的箭頭就會指風(fēng)吹過來的方向。為了保持對于方向的敏感性，同時還采用不同的內(nèi)部機(jī)構(gòu)來給風(fēng)速傳感器辨別方向。通常有以下三類：

電磁式風(fēng)向傳感器：利用電磁原理設(shè)計，由于原理種類較多，所以結(jié)構(gòu)與有所不同，目前部分此類傳感器已經(jīng)開始利用陀螺儀芯片或者電子羅盤作為基本元件，其測量精度得到了進(jìn)一步的提高。

光電式風(fēng)向傳感器：這種風(fēng)向傳感器采用絕對式格雷碼盤作為基本元件，并且使用了特殊定制的編碼編碼，以光電信號轉(zhuǎn)換原理，可以準(zhǔn)確的輸出相對應(yīng)的風(fēng)向信息。

電阻式風(fēng)向傳感器：這種風(fēng)向傳感器采用類似滑動變阻器的結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)生的電阻值的最大值與最小值分別標(biāo)成360°與0°，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的時候，滑動變阻器的滑桿會隨著頂部的風(fēng)向標(biāo)一起轉(zhuǎn)動，而產(chǎn)生的不同的電壓變化就可以計算出風(fēng)向的角度或者方向了。

風(fēng)速傳感器

風(fēng)速傳感器是一種可以連續(xù)測量風(fēng)速和風(fēng)量（風(fēng)量=風(fēng)速x橫截面積）大小的常見傳感器。

風(fēng)速傳感器大體上分為機(jī)械式（主要有螺旋槳式、風(fēng)杯式）風(fēng)速傳感器、熱風(fēng)式風(fēng)速傳感器、皮托管風(fēng)速傳感器和基于聲學(xué)原理的超聲波風(fēng)速傳感器。

螺旋槳式風(fēng)速傳感器工作原理

我們知道電扇由電動機(jī)帶動風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，在葉片前后產(chǎn)生一個壓力差，推動氣流流動。螺旋漿式風(fēng)速計的工作原理恰好與此相反，對準(zhǔn)氣流的葉片系統(tǒng)受到風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生一定的扭力矩使葉片系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。通常螺旋槳式速傳感器通過一組三葉或四葉螺旋槳繞水平軸旋轉(zhuǎn)來測量風(fēng)速，螺旋槳一般裝在一個風(fēng)標(biāo)的前部，使其旋轉(zhuǎn)平面始終正對風(fēng)的來向，它的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速。

風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器工作原理

風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，是一種十分常見的風(fēng)速傳感器，最早由英國魯賓孫發(fā)明。感應(yīng)部分是由三個或四個圓錐形或半球形的空杯組成?？招谋瓪す潭ㄔ诨コ?20°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架則固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。

當(dāng)風(fēng)從左方吹來時，風(fēng)杯1與風(fēng)向平行，風(fēng)對風(fēng)杯1的壓力在最直于風(fēng)杯軸方向上的分力近似為零。風(fēng)杯2與3同風(fēng)向成60度角相交，對風(fēng)杯2而言，其凹面迎著風(fēng)，承受的風(fēng)壓最大;風(fēng)杯3其凸面迎風(fēng)，風(fēng)的繞流作用使其所受風(fēng)壓比風(fēng)杯2小，由于風(fēng)杯2與風(fēng)杯3在垂直于風(fēng)杯軸方向上的壓力差，而使風(fēng)杯開始順時針方向旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速越大，起始的壓力差越大，產(chǎn)生的加速度越大，風(fēng)杯轉(zhuǎn)動越快。

風(fēng)杯開始轉(zhuǎn)動后，由于杯2順著風(fēng)的方向轉(zhuǎn)動，受風(fēng)的壓力相對減小，而杯3迎著風(fēng)以同樣的速度轉(zhuǎn)動，所受風(fēng)壓相對增大，風(fēng)壓差不斷減小，經(jīng)過一段時間后（風(fēng)速不變時），作用在三個風(fēng)杯上的分壓差為零時，風(fēng)杯就變作勻速轉(zhuǎn)動。這樣根據(jù)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速（每秒鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)）就可以確定風(fēng)速的大小。

當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動時，帶動同軸的多齒截光盤或磁棒轉(zhuǎn)動，通過電路得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號，該脈沖信號由計數(shù)器計數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實際風(fēng)速值。目前新型轉(zhuǎn)杯風(fēng)速表均是采用三杯的，并且錐形杯的性能比半球形的好，當(dāng)風(fēng)速增加時轉(zhuǎn)杯能迅速增加轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)氣流速度，風(fēng)速減小時，由于慣性影響，轉(zhuǎn)速卻不能立即下降，旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速表在陣性風(fēng)里指示的風(fēng)速一般是偏高的成為過高效應(yīng)（產(chǎn)生的平均誤差約為10%）

熱式風(fēng)速傳感器工作原理

熱式風(fēng)速傳感器以熱絲（鎢絲或鉑絲） 或是以熱膜（鉑或鉻制成薄膜） 為探頭，裸露在被測空氣，并將它接入惠斯頓電橋，通過惠斯頓電橋的電阻或電流的平衡關(guān)系，檢測出被測截面空氣的流速。熱膜式風(fēng)速傳感器的熱膜外涂有極薄 的石英膜絕緣層，以便和流體絕緣，并可防止污染，可在帶有顆粒的氣流中工作，其強(qiáng)度比金屬熱線絲高。

當(dāng)空氣溫度穩(wěn)定不變時，熱絲上的耗電功率等于熱絲在空氣中瞬時耗去的熱量。熱絲電阻隨溫度而變化，熱線的電阻和熱線溫度在通常溫度范圍（0～300 ℃） 之內(nèi)，表現(xiàn)為線性關(guān)系。放熱系數(shù)與氣流速度有關(guān)，流速越大，對應(yīng)的放熱系數(shù)也越大，即散熱快；流速小，則散熱慢。

熱式風(fēng)速傳感器所測氣流速度是電流與電阻的函數(shù)。將電流（或電阻） 保持不變，所測氣流速度僅與電阻（或電流） 一一對應(yīng)。

熱線式風(fēng)速傳感器有恒流與恒溫兩種設(shè)計電路。恒溫式熱線風(fēng)速傳感器較為常用。恒溫法原理是測量過程中保持熱絲溫度恒定，使電橋平衡，此時熱絲電阻保持不變，氣流速度只是電流的單值函數(shù)，根據(jù)已知的氣流速度與電流的關(guān)系可求得通過末端裝置的氣流速度。恒流式熱線風(fēng)速傳感器在測量過程中保持流經(jīng)熱絲的電流值不變。當(dāng)電流值不變時，氣流速度僅僅與熱絲電阻有關(guān)。根據(jù)已知的氣流速度與熱絲電阻的關(guān)系可求得通過風(fēng)速傳感器的氣流速度。

熱線式風(fēng)速傳感器可測量脈動風(fēng)速。恒流式風(fēng)速傳感器熱慣性較大，恒溫式風(fēng)速傳感器的熱慣性相對較小，具有較高的速度響應(yīng)。熱線式風(fēng)速傳感器的測量精度均不很高， 使用時要注意溫度補(bǔ)償。

皮托管風(fēng)速傳感器工作原理

皮托管，又名“空速管”，“風(fēng)速管”，是測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置，由法國H.皮托發(fā)明而得名。

用實驗方法直接測量氣流的速度比較困難，但氣流的壓力則可以用測壓計方便地測出。它主要是用來測量飛機(jī)速度的，同時還兼具其他多種功能。因此，可用皮托管測量壓力，再應(yīng)用伯努利定理算出氣流的速度。皮托管由一個圓頭的雙層套管組成（見圖），外套管直徑為D，在圓頭中心O處開一與內(nèi)套管相連的總壓孔，聯(lián)接測壓計的一頭，孔的直徑為0.3～0.6D。在外套管側(cè)表面距O約3～8D的C處沿周向均勻地開一排與外管壁垂直的靜壓孔，聯(lián)接測壓計另一頭，將皮托管安放在欲測速度的定常氣流中，使管軸與氣流的方向一致，管子前緣對著來流。當(dāng)氣流接近O點處，其流速逐漸減低，流至O點滯止為零。所以O(shè)點測出的是總壓P。其次，由于管子很細(xì)，C點距O點充分遠(yuǎn)，因此C點處的速度和壓力已經(jīng)基本上恢復(fù)到同來流速度V和壓力P相等的數(shù)值，因而在C點測出的是靜壓。對于低速流動（流體可近似地認(rèn)為是不可壓縮的），由伯努利定理得確定流速的公式為：

根據(jù)測壓計測出的總壓和靜壓差P-P，以及流體的密 度ρ，可以按照式（1）求出氣流的速度。

超聲波風(fēng)速傳感器工作原理

超聲波風(fēng)速傳感器的工作原理是利用超聲波時差法來實現(xiàn)風(fēng)速的測量。由于聲音在空氣中的傳播速度，會和風(fēng)向上的氣流速度疊加。假如超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，那么它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風(fēng)向相反，那么它的速度會變慢。所以，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風(fēng)速函數(shù)對應(yīng)。 通過計算即可得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向。由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；風(fēng)速傳感器檢測兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計。

超聲波風(fēng)速傳感器它具有重量輕、沒有任何移動部件、堅固耐用的特點， 而且不需維護(hù)和現(xiàn)場校準(zhǔn)，能同時輸出風(fēng)速和風(fēng)向。客戶可根據(jù)需要選擇風(fēng)速單位、 輸出頻率及輸出格式。也可根據(jù)需要選擇加熱裝置（在冰冷環(huán)境下推薦使用）或模擬輸出?？梢耘c電腦、數(shù)據(jù)采集器或其它具有RS485或模擬輸出相符合的采集設(shè)備連用。如果需要，也可以多臺組成一個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行使用。

超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀是一種較為先進(jìn)的測量風(fēng)速風(fēng)向的儀器。由于它很好地克服了機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀固有的缺陷， 因而能全天候地、長久地正常工作，越來越廣泛地得到使用。它將是機(jī)械式風(fēng)速儀的強(qiáng)有力替代品。

超聲波風(fēng)速傳感器特點：

1、采用聲波相位補(bǔ)償技術(shù)，精度更高；

2、采用隨機(jī)誤差識別技術(shù)，大風(fēng)下也可保證測量的低離散誤差，使輸出更平穩(wěn)；

3、針對細(xì)雨，濃霧天氣的測量補(bǔ)償技術(shù)，具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力；

4、數(shù)字濾波技術(shù)，抗電磁干擾能力更強(qiáng)；

5、無啟動風(fēng)速限制，零風(fēng)速工作，適合室內(nèi)微風(fēng)的測量，無角度限制（360°全方位），同時獲得風(fēng)速、風(fēng)向的數(shù)據(jù)；

6、測量精度高;性能穩(wěn)定;低功耗不需校準(zhǔn)；

7、結(jié)構(gòu)堅固，儀器抗腐蝕性強(qiáng)，在安裝和使用時無需擔(dān)心損壞；

8、設(shè)計靈活，輕巧，攜帶輕便，安裝、拆卸容易；

9、信號接入方便，同時提供數(shù)字和模擬兩種信號；

10、不需維護(hù)和現(xiàn)場校準(zhǔn)， 真正的0～359°工作 （無死角）。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器的應(yīng)用

風(fēng)向傳感器和風(fēng)速傳感器雖然是兩種完全獨立的傳感器，但大多數(shù)情況下，這兩種傳感器是整合在同一測量設(shè)備中，通過綜合處理數(shù)據(jù)信息，共同發(fā)揮作用的。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

在氣象領(lǐng)域，通常需要對許多種自然現(xiàn)象進(jìn)行觀察，如風(fēng)速與氣象的變化，當(dāng)然還有風(fēng)向的變化，對于風(fēng)向的測量工作，現(xiàn)在基本是使用風(fēng)向儀或者風(fēng)向傳感器設(shè)備來解決這個問題。

地面風(fēng)向變化的測量：在沙漠、高原地區(qū)的風(fēng)沙治理工作中，通常人們需要注意氣流流動的速度與風(fēng)向的變化，這樣可以掌握到更多的氣象數(shù)據(jù)，一邊制定更完善的治理方案，所以在整個過程中用到風(fēng)向傳感器這種氣象設(shè)備。

海洋風(fēng)暴預(yù)警：可以說海洋氣象預(yù)警系統(tǒng)是風(fēng)向傳感器在氣象領(lǐng)域重要應(yīng)用之一，它為海洋氣象預(yù)警系統(tǒng)提供的風(fēng)向變化數(shù)據(jù)，是預(yù)測臺風(fēng)覆蓋范圍以及“運行”軌跡的重要參數(shù)之一

風(fēng)向風(fēng)速傳感器在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用

安裝在礦井中的通風(fēng)設(shè)備，往往型號不一，而且其工作功率也有著較大的差別，所以需要使用風(fēng)速傳感器設(shè)備對各個通風(fēng)道的風(fēng)速值進(jìn)行監(jiān)視，防止某個位置的通風(fēng)率過低而出現(xiàn)的有害氣體濃度過高的現(xiàn)象出現(xiàn)。

其實為了確保各大、中、小型煤礦生產(chǎn)工作安全的進(jìn)行，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在煤礦中應(yīng)該安裝風(fēng)速傳感器設(shè)備，在每一個采礦區(qū)、翼回風(fēng)巷以及總回風(fēng)巷都應(yīng)該設(shè)置風(fēng)速傳感器設(shè)備，而掘進(jìn)工作面就屬于采礦區(qū)的一部分，因此掘進(jìn)工作面，是需要安裝風(fēng)速傳感器的。

其實在掘進(jìn)面中需要安裝風(fēng)速傳感器還有一個主要的原因，就是通常煤礦中的甲烷、一氧化碳、瓦斯等有害氣體往往從掘進(jìn)面出現(xiàn)的概率最大，甚至有些氣體在地下形成的“氣室”中的氣體直接就是一些有害性氣體，因此煤礦中需要在每個位置都安裝風(fēng)速傳感器并連接通風(fēng)設(shè)備。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代化的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為了能夠更好的利用風(fēng)力資源，通常葉輪方向的控制已經(jīng)不是用尾翼進(jìn)行的，而是通過風(fēng)向傳感器來完成這個角度的控制，通常風(fēng)向傳感器 需要安裝在風(fēng)電機(jī)組頂部，但需要防止葉輪阻礙傳感器進(jìn)行測量，如果傳感器的高度達(dá)到一定程度的時候，人們還需要注意對發(fā)電機(jī)組以及傳感器進(jìn)行防雷、防漏電處理。

通常風(fēng)力場附近安裝的風(fēng)向傳感器有以下兩個主要用途：

1、保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可以實時正對風(fēng)向角，確保事實都在正常工作狀態(tài)。

2、在風(fēng)電場附近的氣象站設(shè)備上的風(fēng)向測量儀器可以確保大風(fēng)天氣不會對風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成威脅。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器在塔式起重機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

通常，為了確保建筑工程的進(jìn)行，大多數(shù)的塔式起重機(jī)通常都會安裝風(fēng)速傳感器設(shè)備，它的存在可以讓起重機(jī)在大風(fēng)影響起重機(jī)工作的時候，發(fā)出報警，但是當(dāng)大風(fēng)已經(jīng)開始影響起重機(jī)工作的時候，往往就需要注意風(fēng)向的變化，這樣才能針對不同風(fēng)向的風(fēng)做出應(yīng)對措施，所以部分起重機(jī)上面已經(jīng)使用了風(fēng)向傳感器設(shè)備。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器在空調(diào)及通風(fēng)設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用

變風(fēng)量末端裝置是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。風(fēng)速傳感器又是變風(fēng)量末端裝置的關(guān)鍵部件，因此，風(fēng)速傳感器的類型與性能直接影響系統(tǒng)風(fēng)量的檢測和控制質(zhì)量。目前，我國及歐美各廠家的變風(fēng)量末端裝置均采用皮托管式風(fēng)速傳感器，而日本各廠家多不采用皮托管式風(fēng)速傳感器。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

飛機(jī)上的“空速管”是一種典型的皮托管風(fēng)速傳感器，是飛機(jī)上極為重要的測量工具。它的安裝位置一定要在飛機(jī)外面氣流較少受到飛機(jī)影響的區(qū)域，一般在機(jī)頭正前方，垂尾或翼尖前方。當(dāng)飛機(jī)向前飛行時，氣流便沖進(jìn)空速管，在管子末端的感應(yīng)器會感受到氣流的沖擊力量，即動壓。飛機(jī)飛得越快，動壓就越大。如果將空氣靜止時的壓力即靜壓和動壓相比就可以知道沖進(jìn)來的空氣有多快，也就是飛機(jī)飛得有多快。比較兩種壓力的工具是一個用上下兩片很薄的金屬片制成的表面帶波紋的空心圓形盒子，稱為膜盒。這盒子是密封的，但有一根管子與空速管相連。如果飛機(jī)速度快，動壓便增大，膜盒內(nèi)壓力增加，膜盒會鼓起來。用一個由小杠桿和齒輪等組成的裝置可以將膜盒的變形測量出來并用指針顯示，這就是最簡單的飛機(jī)空速表。

空速管測量出來的靜壓還可以用來作為高度表的計算參數(shù)。如果膜盒完全密封，里面的壓力始終保持相當(dāng)于地面空氣的壓力。這樣當(dāng)飛機(jī)飛到空中，高度增加，空速管測得的靜壓下降，膜盒便會鼓起來，測量膜盒的變形即可測得飛機(jī)高度。這種高度表稱為氣壓式高度表。

空速管測量出來的速度并非是飛機(jī)真正相對于地面的速度，而只是相對于大氣的速度，所以稱為空速。如果有風(fēng)，飛機(jī)相對地面的速度（稱地速）還應(yīng)加上風(fēng)速（順風(fēng)飛行）或減去風(fēng)速（逆風(fēng)飛行）。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的開展，諸如激光等一些新式的風(fēng)速傳感器也開始在風(fēng)速檢測中運用。相信不久的將來，各種新式的風(fēng)向風(fēng)速傳感器會越來越多地應(yīng)用在建筑機(jī)械、鐵路、港口、碼頭、電廠、氣象、索道、環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖等各個領(lǐng)域。
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