摇杆式风速风向仪

王魏魏 宿忠娥 朱实强

摘 要：风速风向仪主要有两种，一种是风杯式风速风向仪，存在的缺点是体积大，旋转部件长期会造成磨损，另一种就是超声波风速风向仪，存在的缺点就是成本高，技术复杂，国内技术被国外所垄断，摇杆式风速风向仪优化了结构，采用球形铰链机构，缩小了体积，设计原理简单，成本低，可以在恶劣天气工作等优点。

关键词：摇杆；风速风向仪；球形铰链

中图分类号：P412.16 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0019-02

Abstract： There are mainly two kinds of wind speed and direction meter： one is the wind cup type wind speed and direction meter， with its disadvantage being that the volume is large and the rotating parts will cause wear for a long time； the other is the ultrasonic wind speed and direction meter， the shortcomings of which are high cost and complex technology， and the domestic technology is monopolized by foreign countries. The rocker wind speed and direction meter has been optimized in structure， with a spherical hinge mechanism， a reduced volume， a simplified design principle， and low cost， and it can work in bad weather.

Keywords： rocker； wind speed and direction meter； spherical hinge

引言

风速风向仪是建筑机械、铁路、港口、码头、电厂、气象、索道、环境、温室、养殖等领域用于测量风速风向的智能风速传感报警仪器。风能作为一种无污染的可再生能源有着巨大的发展潜力，风力发电业成为新能源领域中技术最成熟，最具发展潜力的行业。随着风力发电的快速发展，也带动了风速风向仪的大量应用。风电场的宏观、微观选址，风力发电机组的运行过程中通常由风速风向仪来进行测风。因此，准确可靠的风速风向仪对风电场及风电机组的安全经济运行至关重要。

1 设计原理

摇杆式风速风向仪，用于测量风速和风向的装置，包括用来测风速风向的一体的遥杆机械装置和信号采集电路。其中，摇杆机械装置包括：球形铰链杠杆、手柄、壳体、支架、受风体，地脚螺栓；信号采集电路包括：单片机、环形压力应变片、模数转换模块、138译码器模块、触点、可充电电池、太阳能电池、液晶显示模块、开关、指南针、印刷电路板，加热电阻，数据传送线路。

设计原理图（见图1）。

如图1所示：1、受风体2、球形铰链3、压力环4、环形压力应变片5、触点环6、触点7、单片机等电子元件8、电路板9、外壳10、支架。

2 工作原理

风速风向仪安装在被测量的环境中，当风从某一角度吹来，会作用在受风体上，受风体受到空气阻力的作用，在力的作用下，受风体会偏向力作用的方向。在球形铰链的支撑作用下，因为受风体和压力环连接在球形铰链的两头，因此受风体和压力头会相反的转动，相当于一个杠杆的作用。

压力头在杠杆的作用下，会触碰到周围的环形压力应变片，根据杠桿受到的力的大小不同，环形压力应变片受到的力也是和风速的大小成正比，环形压力应变片在不同的力的作用下，阻值会发生非线性的变化。

通过模数转化模块的作用，将环形压力应变片两端的电压信号转化为数字信号，传送到单片机中。

环形压力应变片电阻的非线性的变化通过程序对非线性变化的关系进行拟合，拟合出一条多次项关系式，将该多项关系式通过程序的方式写入到单片机的程序当中，通过单片机的程序计算将风速的大小计算出来。

触点环是一个环形结构，安装在压力环的下部，和压力环的原理一样，会在杠杆转动中触碰到触点，把电路导通。

通过38译码器将8路的触点信号汇集成三路信号，单片机将从38译码器中的信号解译出来，对比内部数据库后输出对应的方位角。

温度传感器采集风速风向仪内部的温度，控制加热元器件进行有需要的工作，保证风速风向仪内部的温度保持在一个小范围的变化，确保环形压力应变片电阻不会发生较大的变化。

3 原理补充

如图2所示，1、球体2、座台，两个组合而成球形铰链，之间保持润滑滑动，摩擦力很小。3、环形压力应变片4、压力环，在风的作用下，球形铰链做杠杆运动，压力环就会朝着风相反的方向运动，碰到环形应变片，应变片受到压力，阻值会发生非线性变化，单片机根据非线性变化的曲线拟合成一个高次方程，并计算出风力的大小。5、触点6、触点环7、电路板，在电路板上，围绕触点环分布了很多个触点（对于精度要求更高的则需要更多的触点），每个触点之间都绝缘，触点环触碰到每个触点的时候，就会相应的导通电路，每个触点在地址里面都有一个编号，系统会根据导通的触点去输出当前的风向。

4 注意事项

受风体采用不锈钢材料做成的空壳结构，在球体上部和下部所连接的零部件的重量分配如下：（1）触点环和压力环的重量之和略大于受风体的重量，使测风装置保持竖直状态；（2）整体的质量不能太大，可以降低启动风速。

压力环与环形压力应变片之间的间隙不能太大也不能太小，触点环与触点之间的间隙也不能太大，同时触点具有弹性，且劲度系数不大，触点环与触点之间的间隙小于压力环与环形压力应变片之间的间隙，保证测到风速的时候也能测到风向。

5 电路图的设计（图3）

6 两触点间的信号处理

触点环是触碰触点导通电路进行工作的，但是在触碰触点的时候会发生两种情况，第一种就是触点环和一个触点接触，单片机则根据触电的地址判断风向；第二种就是触点环同时触碰到两个相邻的触点，触点环在两者之间，这时候系统就会算这两个触点的地址对应方位角的中间值。

7 设备分类

摇杆式风速风向仪主要针对风力发电机，但是对于户外测风人员来说也需要一个好用的仪器，所以把风速风向仪分成了两类，一类是便携式的，测风人员在户外使用型的；另一类是固定式的，主要安装在风力发电机上。

两者的区别如表 1所示：

便携式摇杆式风速风向仪液晶显示屏与单片机连接，输出即时风速和风向信息。指南针是为了定位当地的方位角，给单片机一个参考信号，将风速风向仪水平旋转直到指南针指向S极时，此时的风向就是风的实际风向。表面的太阳能电池将太阳能转化成电能，供给风速风向仪的电路的电能消耗。可充电电池将太阳能电池所产生的电存储起来，供给风速风向仪的电路的电能消耗。

固定式摇杆式风速风向仪的四个地脚螺栓用于调平仪器的水平状态，信号输出采用国家标准的信号通信协议与波特率。

8 优势

球形铰链作为旋转体，相比于风杯式风速风向仪沒有非常强烈的旋转，延长了使用寿命。将测风速大小与测风速方向融为一体，与风杯式风速风向仪相比，减小了体积。采用成熟的单片微机作为信号处理核心，不采用像超声波风速风向仪等复杂的技术，降低了成本，减少了故障发生率，总体而言，具有更高的性价比。

参考文献：

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