基于七孔探针测量原理的平面全风向风速传感器的研究

黄俊

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001）

基于七孔探针测量原理的平面全风向风速传感器的研究

黄俊

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001）

近年来，随着我国航空航天事业快速发展，流体流动方向和速度的高精度测量重要性日渐凸显。但当前的测量技术还远未成熟，均存在各种缺陷。本文运用七孔探针测量原理，研究和设计了一种新的风向风速测量传感器。硬件平台采用低功耗MSP430单片机，进行数据采集和控制，无线模块的作用范围在1000～1200m，信号强，可实现信号源与信号接收端分离，减小由于采集装置自身体积带来的流场误差，数据精度高。此外本传感器具有安装简便、实用性强、支持扩展、改装等优点。

航空航天；风速风向传感器；MSP430单片机；LabView

近年来，随着我国航空航天、气象检测、环境控制等事业的高速发展，流体流动方向和速度的高精度测量越来越重要。传统的气流方向和速度测量通常有两种方法：多孔探头测量和热线/热膜法测量。多孔探头法测量流速流向方法方便、快速，设备和技术简单，易于实现，但气流偏角测量范围有限。热线/热膜法直接将流速变化转化为电信号，响应快，滞后小，动态响应宽，但因为脆弱性不适合测量流速较高或非气体流动的场合。热膜探头具有机械强度较高的优点，但存在加工复杂，维护不便的问题。

因此，本文拟研究设计一款可以测量平面内的流动的流速流向测量传感设备。可通过多孔压力测试技术测量正负180°范围内气流，此外可通过无线通信与计算机实现数据的传输，工作可靠，精度高，维护方便，并且可以通过封装的修改，适用更多场合的应用，具有良好的应用价值。

1 系统方案

系统分为硬件和软件两部分。系统硬件分为模型、压强传感器模块、数据处理模块、显示模块、无线模块和上位机用户平台六部分。主要完成数据采集、转换、处理、存储和向上位机传输和显示的功能。系统软件包括单片机控制软件和上位机平台软件。

系统框图如图1所示。

图1 系统框图

模型模块为一圆柱，8个测压孔均布于圆柱某一平面。如图2所示。

图2 圆柱俯视图

该模型的测量原理基于七孔探针，是流体力学中的经典圆柱绕流模型。七孔探针可测量气流偏角为78°的大偏角流动，测试精度为1%，本文利用七孔探针测量大流动角下的总压、静压及方位角的原理，重组得到适合本设计的的公式，并进行精度验证。必须能够满足工程测量的需求。

修正后的公式如下：

图3 根据上述两个公式拟合得曲线

由压强传感器模块输出的信号经电压偏置后进行A/D转换，由单片机处理后通过液晶显示速度及风向，并将数据经RS232接口通过无线模块传输至PC。PC终端将数据处理后记录存储。

2 系统硬件设计

硬件框图如图4所示。

根据系统需求分析，主控模块采用MSP430F149芯片，它集成片内ADC模块，传感器选用1220A-005G-3S压力传感器，它有表压、绝压、差压三种工作方式。满量程输出0-100 mV，工作温度区间大，可在环境恶劣的情况下正常工作。误差则控制在0.1%，适合高精度场合。接口采用RS232接口，编程简单，适用性强，传输速率快。无线传输模块选用APC220，该模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，能够透明传输任何大小的数据，无须编写复杂的设置与传输程序，体积小、宽电压运行，传输距离远。

图4 硬件框图

3 软件设计

程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

其参数为8个通道的数据取32次平均值后对应的数据。calculate（）函数中涉及的coefficient arrays由常温标准大气压下曲线拟合得出，如果环境变化差异巨大，则需重新标定。get（）函数则是用来确定主通道序号，用于计算时数据的选择。由于拟合是选用的三次拟合，所以求解时采用数值方法计算解的近似值（误差≤10-5），然后根据系统设计中的公式可得到风速风向，并通过1602液晶显示。此外，我们还设计了上位机平台，程序采用LabView编写。该软件可实现简单的数据接收及处理，为系统校验及评估提供了可能。

4 测 试

经过对数据的拟合，得到图7曲线：

图6 数据拟合曲线

图7 数据拟合曲线

在此基础上用步进电机带动圆柱，进行360°的测量，经过数据处理有如下指标：

风向最大相对误差≤1%

风速相对误差≤10%（风速小于1 m/s）

相对误差≤3%（风速大于5 m/s）

显然速度的误差相对较大，尤其在风速较低的时候。

图7选取了-1°～6°间的部分数据，显然风洞频率低的时候（风速小）理论点与实际点的误差较大，而随着频率增大，理论与实际点的偏差越来越小。

5 结 论

通过软硬件的设计，本平台设计的风速风向传感器提高了实验室风速风向测量的精度。无线模块的作用范围在1 000～1 200 m，信号强，可实现信号源与信号接收端分离，减小由于采集装置自身体积带来的流场误差，数据精度更高。此外传感器、处理模块、接收模块三者分离，安装简便，实用性强，支持扩展、改装以及封装。圆柱模型强度大，可在强风下工作；8通道的模型理论精度高，支持高精度的实验，且迟滞效应弱，任一方向的扰动都能及时地反应在读数上。采用的芯片都是工业级的设计，能在恶劣的环境下正常工作。

在设计过程中，由于电压信号小，干扰信号比较大，在后续的研究中，可以增加屏蔽罩减小信号干扰。此外，如果有垂直方向的风速风向测量需求，模型可以进行重新设计，以满足更广泛的应用需求。

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Study on the whole plane wind speed sensor based on the principle of measuring seven hole probe

HUANG Jun
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou，412001，China）

In recent years，with the rapid development of China's aerospace industry，the importance of high precision measurement of fluid flow direction and speed is becoming more and more important.But the current measurement technology is far from mature，there are all kinds of defects.This paper applies the principle of seven hole probe measurement，research and design a new wind speed measuring sensor.Hardware platform adopts low power MSP430 microcontroller，data acquisition and control，the scope of the wireless module in the 1000～1200m，strong signal can realize signal source and receiver separation and decreased due to the flow error brought by the acquisition device volume，high accuracy of data.In addition，the sensor has the advantages of simple installation，strong practicability，support expansion，modification，etc.

Aerospace； wind sensor； MSP430 single-chip microcomputer； LabView

TN108

A

1674－6236（2017）16-0084-03

2016-07-19稿件编号：201607137

黄 俊（1969—），男，湖南株洲人，硕士，讲师。研究方向：控制系统与控制理论、电气工程。