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(shí)在古代很早就已經(jīng)出現，著(zhù)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備，用來(lái)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)也得到了廣泛的應用，下面我們就看看這兩種設備。

　　風(fēng)向傳感器

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

　　通常風(fēng)向傳感器主體都采用風(fēng)向標的機械結構，當風(fēng)吹向風(fēng)向標的尾部的尾翼的時(shí)候，風(fēng)向標的箭頭就會(huì )指風(fēng)吹過(guò)來(lái)的方向。為了保持對于方向的敏感性，同時(shí)還采用不同的內部機構來(lái)給風(fēng)速傳感器辨別方向。通常有以下三類(lèi)：

　　電磁式風(fēng)向傳感器：利用電磁原理設計，由于原理種類(lèi)較多，所以結構與有所不同，目前部分此類(lèi)傳感器已經(jīng)開(kāi)始利用陀螺儀芯片或者電子羅盤(pán)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(pán)作為基本元件，并且使用了特殊定制的編碼編碼，以光電信號轉換原理，可以準確的輸出相對應的風(fēng)向信息。

　　電阻式風(fēng)向傳感器：這種風(fēng)向傳感器采用類(lèi)似滑動(dòng)變阻器的結構，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)生轉動(dòng)的時(shí)候，滑動(dòng)變阻器的滑桿會(huì )隨著(zhù)頂部的風(fēng)向標一起轉動(dòng)，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(jiàn)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(dòng)機帶動(dòng)風(fēng)扇葉片旋轉，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)速計的工作原理恰好與此相反，對準氣流的葉片系統受到風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生一定的扭力矩使葉片系統旋轉。通常螺旋槳式速傳感器通過(guò)一組三葉或四葉螺旋槳繞水平軸旋轉來(lái)測量風(fēng)速，螺旋槳一般裝在一個(gè)風(fēng)標的前部，使其旋轉平面始終正對風(fēng)的來(lái)向，它的轉速正比于風(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(jiàn)的風(fēng)速傳感器，最早由英國魯賓孫發(fā)明。感應部分是由三個(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(zhù)一個(gè)方向排列，整個(gè)橫臂架則固定在一根垂直的旋轉軸上。

　　當風(fēng)從左方吹來(lái)時(shí)，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(zhù)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(kāi)始順時(shí)針?lè )较蛐D，風(fēng)速越大，起始的壓力差越大，產(chǎn)生的加速度越大，風(fēng)杯轉動(dòng)越快。

　　風(fēng)杯開(kāi)始轉動(dòng)后，由于杯2順著(zhù)風(fēng)的方向轉動(dòng)，受風(fēng)的壓力相對減小，而杯3迎著(zhù)風(fēng)以同樣的速度轉動(dòng)，所受風(fēng)壓相對增大，風(fēng)壓差不斷減小，經(jīng)過(guò)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)杯就變作勻速轉動(dòng)。這樣根據風(fēng)杯的轉速(每秒鐘轉的圈數)就可以確定風(fēng)速的大小。

　　當風(fēng)杯轉動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)同軸的多齒截光盤(pán)或磁棒轉動(dòng)，通過(guò)電路得到與風(fēng)杯轉速成正比的脈沖信號，該脈沖信號由計數器計數，經(jīng)換算后就能得出實(shí)際風(fēng)速值。目前新型轉杯風(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(shí)轉杯能迅速增加轉速，以適應氣流速度，風(fēng)速減小時(shí)，由于慣性影響，轉速卻不能立即下降，旋轉式風(fēng)速表在陣性風(fēng)里指示的風(fēng)速一般是偏高的成為過(guò)高效應(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(guò)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(xiàn)絲高。

　　當空氣溫度穩定不變時(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(xiàn)的電阻和熱線(xiàn)溫度在通常溫度范圍(0～300 ℃) 之內，表現為線(xiàn)性關(guān)系。放熱系數與氣流速度有關(guān)，流速越大，對應的放熱系數也越大，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。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。