一文讀懂風(fēng)向風(fēng)速傳感器

如何測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，其實(shí)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?yàn)橛行У恼莆樟孙L(fēng)向和風(fēng)速方面的知識(shí)，從而取得了軍事的重大勝利。

作為一種對(duì)天氣測(cè)量的設(shè)備，用來測(cè)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(dòng)探測(cè)、感受外界的風(fēng)向信息，并將其傳遞給同軸碼盤，同時(shí)輸出對(duì)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(shí)候，風(fēng)向標(biāo)的箭頭就會(huì)指風(fēng)吹過來的方向。為了保持對(duì)于方向的敏感性，同時(shí)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(jì)，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(cè)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換原理，可以準(zhǔn)確的輸出相對(duì)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(dòng)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(dòng)的時(shí)候，滑動(dòng)變阻器的滑桿會(huì)隨著頂部的風(fēng)向標(biāo)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而產(chǎn)生的不同的電壓變化就可以計(jì)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(cè)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，在葉片前后產(chǎn)生一個(gè)壓力差，推動(dòng)氣流流動(dòng)。螺旋漿式風(fēng)速計(jì)的工作原理恰好與此相反，對(duì)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(cè)量風(fēng)速，螺旋槳一般裝在一個(gè)風(fēng)標(biāo)的前部，使其旋轉(zhuǎn)平面始終正對(duì)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(gè)或四個(gè)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(gè)方向排列，整個(gè)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(shí)，風(fēng)杯1與風(fēng)向平行，風(fēng)對(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)越快。

風(fēng)杯開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，由于杯2順著風(fēng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，受風(fēng)的壓力相對(duì)減小，而杯3迎著風(fēng)以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，所受風(fēng)壓相對(duì)增大，風(fēng)壓差不斷減小，經(jīng)過一段時(shí)間后（風(fēng)速不變時(shí)），作用在三個(gè)風(fēng)杯上的分壓差為零時(shí)，風(fēng)杯就變作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)時(shí)，帶動(dòng)同軸的多齒截光盤或磁棒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過電路得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實(shí)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(shí)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(shí)，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(cè)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(cè)出被測(cè)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(shí)，熱絲上的耗電功率等于熱絲在空氣中瞬時(shí)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(duì)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(cè)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(cè)氣流速度僅與電阻(或電流) 一一對(duì)應(yīng)。

熱線式風(fēng)速傳感器有恒流與恒溫兩種設(shè)計(jì)電路。恒溫式熱線風(fēng)速傳感器較為常用。恒溫法原理是測(cè)量過程中保持熱絲溫度恒定，使電橋平衡，此時(shí)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(cè)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(shí)，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(cè)量脈動(dòng)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(duì)較小，具有較高的速度響應(yīng)。熱線式風(fēng)速傳感器的測(cè)量精度均不很高， 使用時(shí)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(cè)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(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)量氣流的速度比較困難，但氣流的壓力則可以用測(cè)壓計(jì)方便地測(cè)出。它主要是用來測(cè)量飛機(jī)速度的，同時(shí)還兼具其他多種功能。因此，可用皮托管測(cè)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(gè)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(cè)壓計(jì)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(cè)壓計(jì)另一頭，將皮托管安放在欲測(cè)速度的定常氣流中，使管軸與氣流的方向一致，管子前緣對(duì)著來流。當(dāng)氣流接近O點(diǎn)處，其流速逐漸減低，流至O點(diǎn)滯止為零。所以O(shè)點(diǎn)測(cè)出的是總壓P。其次，由于管子很細(xì),C點(diǎn)距O點(diǎn)充分遠(yuǎn)，因此C點(diǎn)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(diǎn)測(cè)出的是靜壓。對(duì)于低速流動(dòng)（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(cè)壓計(jì)測(cè)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(shí)差法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測(cè)量。由于聲音在空氣中的傳播速度，會(huì)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(huì)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(huì)變慢。所以，在固定的檢測(cè)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(duì)應(yīng)。通過計(jì)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(shí)，它的速度受溫度的影響很大；風(fēng)速傳感器檢測(cè)兩個(gè)通道上的兩個(gè)相反方向，因此溫度對(duì)聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。

超聲波風(fēng)速傳感器它具有重量輕、沒有任何移動(dòng)部件、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)， 而且不需維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，能同時(shí)輸出風(fēng)速和風(fēng)向?？蛻艨筛鶕?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(tái)組成一個(gè)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(cè)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(diǎn)：

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(shí)別技術(shù)，大風(fēng)下也可保證測(cè)量的低離散誤差，使輸出更平穩(wěn)；

3、針對(duì)細(xì)雨，濃霧天氣的測(cè)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(dòng)風(fēng)速限制，零風(fēng)速工作，適合室內(nèi)微風(fēng)的測(cè)量，無角度限制(360°全方位)，同時(shí)獲得風(fēng)速、風(fēng)向的數(shù)據(jù)；

6、測(cè)量精度高;性能穩(wěn)定;低功耗不需校準(zhǔn)；

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

8、設(shè)計(jì)靈活，輕巧，攜帶輕便，安裝、拆卸容易；

9、信號(hào)接入方便，同時(shí)提供數(shù)字和模擬兩種信號(hào)；

10、不需維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)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(dú)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(cè)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(duì)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(duì)于風(fēng)向的測(cè)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(gè)問題。

地面風(fēng)向變化的測(cè)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(dòng)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(gè)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(cè)臺(tái)風(fēng)覆蓋范圍以及“運(yùn)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(hào)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(duì)各個(gè)通風(fēng)道的風(fēng)速值進(jìn)行監(jiān)視，防止某個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)在掘進(jìn)面中需要安裝風(fēng)速傳感器還有一個(gè)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(gè)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(gè)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(cè)量，如果傳感器的高度達(dá)到一定程度的時(shí)候，人們還需要注意對(duì)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(chǎng)附近安裝的風(fēng)向傳感器有以下兩個(gè)主要用途：

1、保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可以實(shí)時(shí)正對(duì)風(fēng)向角，確保事實(shí)都在正常工作狀態(tài)。

2、在風(fēng)電場(chǎng)附近的氣象站設(shè)備上的風(fēng)向測(cè)量儀器可以確保大風(fēng)天氣不會(huì)對(duì)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(huì)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(shí)候，發(fā)出報(bào)警，但是當(dāng)大風(fēng)已經(jīng)開始影響起重機(jī)工作的時(shí)候，往往就需要注意風(fēng)向的變化，這樣才能針對(duì)不同風(fēng)向的風(fēng)做出應(yīng)對(duì)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(cè)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(cè)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(shí)，氣流便沖進(jìn)空速管，在管子末端的感應(yīng)器會(huì)感受到氣流的沖擊力量，即動(dòng)壓。飛機(jī)飛得越快，動(dòng)壓就越大。如果將空氣靜止時(shí)的壓力即靜壓和動(dòng)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(gè)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(dòng)壓便增大，膜盒內(nèi)壓力增加，膜盒會(huì)鼓起來。用一個(gè)由小杠桿和齒輪等組成的裝置可以將膜盒的變形測(cè)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(cè)量出來的靜壓還可以用來作為高度表的計(jì)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(cè)得的靜壓下降，膜盒便會(huì)鼓起來，測(cè)量膜盒的變形即可測(cè)得飛機(jī)高度。這種高度表稱為氣壓式高度表。

空速管測(cè)量出來的速度并非是飛機(jī)真正相對(duì)于地面的速度，而只是相對(duì)于大氣的速度，所以稱為空速。如果有風(fēng)，飛機(jī)相對(duì)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(cè)中運(yùn)用。相信不久的將來，各種新式的風(fēng)向風(fēng)速傳感器會(huì)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(gè)領(lǐng)域。

審核編輯 ：李倩