一文讀懂風(fēng)向風(fēng)速傳感器

　　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)向標的機械結(jié)構(gòu)，當風(fēng)吹向風(fēng)向標的尾部的尾翼的時候，風(fēng)向標的箭頭就會指風(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成360°與0°，當風(fēng)向標產(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，其強度比金屬熱線絲高。

　　當空氣溫度穩(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)。