风速测量实验的设计与探究

唐 芮，李梅，张玲玲，林光辉，陈 前

（湖北大学，湖北 武汉 430062）

风速是最基本的气象要素之一，进行气象学的理论研究、科学试验以及相关工程技术和日常生活需要等问题都离不开风速的测量。有效地监控、检测自然风风速以及各种不同来源的风速，是一项具有广泛应用价值的实践研究课题。本文以准确及时测量风速为实验目标，利用法拉第电磁感应原理和感应电流产生的条件，采用风杯、导体棒、磁铁等器件制作装置，用DISLAB传感器采集信息，后进行数据处理，得到风速测量值。实验装置简单，物理原理明晰，适用于学生自主探究和制作，可作为学生课外活动的设计型实验课题，能激发学生的学习兴趣，培养学生的探索能力和创新意识。

1 风速测量的实验原理与装置

1.1 实验装置

实验装置由风杯组系统（图1）和电磁信号产生与采集系统（图2）两部分组成。

图1 风杯组示意图

图2 电磁信号产生与采集系统

1.2 实验原理概述

风杯组系统如图一所示。风杯组由三个半球形的空心杯壳组成，杯壳固定在互成120度的三叉形金属支架上。杯的凹面顺着同一个旋转方向排列，三个横臂架则固定在一根垂直的中心旋转轴上。当风以一定的速度流动时，对风杯产生风压，从而产生转动力矩，带动中心轴转动，风杯旋转的线速度v和风速fv成一定的函数关系。

脉冲电流信号采集系统原理如图二所示。由于风杯组中心轴的转动，带动固定在中心轴上的导体棒l同步转动，并在磁场B中切割磁感线，产生动生电动势E。由于实验装置的导体棒l每转一周与弹性簧片短暂接触一次，从而产生周期性的脉冲感应电流i，其周期与风杯组转动周期相同。由电压传感器采集此电流i，并对其进行处理，可得到周期性的脉冲电流波形图，由此可测到对应的周期T。

2 实验内容与数据分析

启动风源，风杯组以一定的线速度v开始转动，利用数据采集器采集脉冲式电流对应的周期值，实验现象记录如图3所示。

图3 脉冲式电流信号

图3 曲线可显示风杯组旋转周期、电流脉冲幅值大小（横轴为时间标度，纵轴为电流强度标度）。由于待测风速是匀速的，所以得到的脉冲电流的周期和峰值大小在一定误差允许的范围内近似不变。

分析脉冲电流波形，得到20个连续脉冲电流时间段的平均周期T，然后通过标准风速仪定标得到相应的风速值fv，测量结果如表1所示。

表1 标准风速仪测量记录表

通过matlab数学软件将上述数据拟合得到了T与fv的关系曲线如下：

图4 T－fv拟合曲线

由风速与周期的拟合曲线得到对应的关系公式为：fv＝3.6673T－1.1430，由实验得到相应的T之后，直接带入公式就能得到风速fv的值。函数的拟合优度为：R2＝0.9984；系数的不确定度为：u（a）＝2.05%；指数的不确定度为：u（b）＝4.02%。

根据上述定标后拟合得到的风速关系式fv＝3.6673T－1.1430，再采用数学软件EXCEL进行相关处理，得到了风力级别与脉冲电流周期、风速数据的对应的关系表（表2），然后据此将其整理出一个简明的脉冲电流周期与风力级别对照表（表3）。在进行风速测量时，采用本实验装置即可得到与待测风速相对应的周期值，然后参照风速表和等级表即可确定待测风速的大小和等级。

表2 电流周期、风速、风力等级对应参照表

表3 风力等级参照表

3 实验分析

实验装置的风杯组由三个半球形的空心杯壳组成，风以一定的速度流动时，对风杯产生风压，从而产生转动力矩，带动中心轴转动。经过理论上的多次计算和实验结果分析，将风杯口平面设计成与水平面成正交的方式，能最大限度地提高测量装置的精确度并减小装置的响应时间。如图二所示，采集数据时，设计旋转导体棒每转一周与静止的弹簧片点接触一次，从而激发一个电脉冲。采用这种“点接触”方式导通电流信号采集电路，不仅能减小摩擦力的影响，并且可获得连续的周期脉冲电流信号图象（如图3）。由风力推动风杯旋转，产生电磁感应电流现象的图象显示直观稳定，测量数据可即时采集、准确处理。实验设计原理简明，易于分析。

4 结 论

本实验以法拉第电磁感应定律为设计理论基础，以价廉、环保、易于获取的常规器件作为制作材料，设计与探究的内容，共有三个方面的用途。其一，制作出的仪器装置可用于多种形式的风速测量，使用方便，操作简单。其二，本实验内容可作为学生探究、启发性的自主设计型实验，实验方法简单，测量误差较小，精度高，针对性强，适用于学生课外科技实践创新、课程认知探究等研究与学习的实践活动。其三，以本文为基础，可启发学生利用电磁感应定律，设计出同类的新型实验，产生创新型学习的迁移效应。如：可将电磁感应装置的导体棒改为条形小磁铁，将弹性簧片处安装多匝小线圈，线圈两端与采集信号输入电路相联。当小磁铁 随风杯组中心轴一起转动时，在线圈中会产生脉冲式的感生电流，采集脉冲式电流信号，就可获得风速测量的数据。

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