风向、风速传感器测量原理及故障排除

段慧娟

（阿拉善高新区气象局，内蒙古 阿拉善盟 750300）

1 概述

风速风向传感器是自动气象站内不可缺少的仪器之一，自动观测风向和风速的仪器主要有单翼风向传感器、光电式风杯风速传感器、霍尔效应风杯风速传感器、螺旋桨式风传感器和超声风传感器等。

2 风传感器的种类及原理

2.1 单翼风向传感器

2.1.1 原理

风向感应器为1 个低惯性的单翼风向标。风向标随风旋转时，带动同轴的格雷码盘同时旋转。按照码盘切槽的设计，格雷码盘每转动2.8°，光电管组就会产生新的7 位并行格雷码输出，或者将7 位格雷码盘进行光电扫描后，将数字信号转换为模拟信号输出。

2.1.2 组成结构

单翼风向传感器由风向标、格雷码盘、光电管组、外壳和信号线插座等主要部件组成，风向标选用质量轻、强度高、刚性好、耐腐蚀的材料制成。部分传感器带有电子调节加热系统，可防止风向标冻结，以保证仪器正常运行。

2.1.3 安装

风横臂按南北向水平架设在牢固的风塔（杆）上，把组装好的风向传感器安装在风横臂上，传感器中轴应垂直，风向传感器在北侧，方位指向正北，风向标中心距地高度2m～12m。

2.1.4 调试

风向传感器安装完成后，输入命令查看返回值，确认仪器工作是否正常。

2.1.5 日常维护

（1）定期巡查风向标转动是否灵活、平稳；风线缆接头防水性能是否良好是否，必要时更换防水胶布。（2）台风、冰雹、冻雨等恶劣天气可能会造成风标板或轴承变形，致使传感器转动不灵活，强低温雨雪天气可能会使风向传感器冻结。出现上述天气时，台站里的工作人员要时刻注意观察着传感器的运作，一旦发现有数值长时间停止不动或者是数值跳跃过大这种情况，应及时处理，避免长时间数据异常。（3）风向风速传感器每年都需要维护，定期维护每年至少要保底一次。维护内容主要为检查以及校准风向标指北方位。（4）每到雷电频发的时节都要对传感器的防雷设施进行维护。（5）按业务要求定期进行检定，检定周期应不超过两年。（6）当设备故障时应及时进行维护或维修。

2.2 风杯风速传感器

2.2.1 原理

光电式风杯风速传感器采用光电技术：光电转换器和截光盘都是信号发生器的组成部分。一旦光电式风杯开始运作，通过主轴带动截光盘旋转，光电转换器进行光电扫描产生脉充信号。这个测量过程换算成线性方程为：

式中V为风速，单位为m/s；a、b为常数；F为脉冲频率，单位为Hz。

霍尔效应风杯风速传感器采用电磁感应技术：其信号发生器采用霍尔开关电路，内有36 只磁体，上下两两相对。风速传感器上的风杯开始运作的时候，带着主轴磁棒盘一起形成了一个小磁场，其线性方程为：

式中V为风速，单位为m/s；c为常数；F为脉冲频率，单位为Hz。

2.2.2 组成结构

风杯风速传感器外形结构如图1 所示。

图1 风速传感器外形结构图（单位：mm）

2.2.3 安装

风横臂按南北向水平架设在牢固的风塔（杆）上，把组装好的风速传感器安装在风横臂上，传感器中轴应垂直，风速传感器在南侧，风杯中心距地高度2m～12m。

2.2.4 调试

风速传感器安装完成后，输入命令查看返回值，确认仪器工作是否正常。

2.2.5 日常维护

（1）定期巡查风杯转动是否灵活、平稳；风线缆接头防水性能是否良好，必要时更换防水胶布。（2）台风、冰雹、冻雨等恶劣天气可能会造成风杯或轴承变形，致使传感器转动不灵活，强低温雨雪天气可能会使风杯传感器冻结。出现上述天气时，要密切观察传感器工作情况，发现异常（如风速长时间为0m/s），应及时处理，避免长时间数据异常。（3）每年春季对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。（4）业务要求定期进行检定，检定周期应不超过2 年。（5）当设备故障时应及时进行维护或维修。

2.3 螺旋桨式风传感器

2.3.1 原理与组成结构

螺旋桨式风传感器是集风向风速测量功能于一体的传感器，传感器由风向组件、风速组件、传感器壳体、安装杆、指北套件和信号变送器等部件组成，其外观示意如图2 所示。

图2 螺旋桨式风传感器外观示意图

风速组件由螺旋桨、风速转轴、风速发电线圈等组成。在运作的时候，螺旋桨会随着风力而转动并且会连带着磁极一起旋转，这个过程透过线圈画出可以明显了解到转的频率和风速的速度是成正比的。[1]

风速与正弦频率信号的关系为：

式中V为风速，单位为m/s；k为换算系数，单位为m/(s•Hz)；f为正弦频率，单位为Hz。

风向组件由尾翼、风向转轴、风向电位器等组成。当尾翼随风向转动时，转轴带动电位器的调节指轮转动，电位器的调节比例与风向对应，即0%～20%对应于0°～360°。风向角度以传感器壳体上的指南线位置为180°参考点。

螺旋桨式风传感器一般还配有信号变送器，用于将风速正弦频率信号转换为幅度为5V 的矩形波频率信号，将风向电位器阻值转换为与0°～360°风向对应的0V～5V 模拟信号。

2.3.2 安装

（1）螺旋桨式风传感器应采用风杆或风塔安装，风传感器电缆线从风塔上配备的金属材料穿线管或风杆内部中穿出；风传感器的指北标识应指向正北，方向误差应小于5°。（2）在风塔或风杆顶部装配一个垂直于地面的传感器固定杆，再将风传感器装到固定杆上。将定位卡环向上移使定位凸块嵌入风传感器的定位凹槽内，转动定位卡环和传感器，使凹凸定位处指向正南，收紧定位卡环和传感器上的不锈钢喉箍，固定定位卡环和风传感器。（3）信号变送器固定到安装杆上传感器下方位置，将风传感器电缆接入到信号变送器中，风传感器电缆穿进采集箱防水接头，与采集器或接线端子排的对应端子连接。（4）风传感器感应部件的中心距地面高度应为2m～12m。

2.3.3 调试

风传感器安装完成后，输入命令查看返回值，确认仪器工作是否正常。

2.3.4 日常维护

（1）防缠绕。（2）由于精密滚珠轴承磨损导致起动风速过大时，应进行更换。（3）更换精密滚珠轴承和风向电位器时应按规定操作。（4）每年春季对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。（5）按业务要求定期进行检定，检定周期应不超过2 年。（6）当设备故障时应及时进行维护或维修。

2.4 超声风传感器

2.4.1 原理

超声波在空气中的传播速度会与气流速度叠加，若传播方向与风向相同，其速度增大，反之则速度减小。通过测量二维的气流速度并进行矢量运算得到风向、风速值。

超声风传感器通过测量超声波在空气中传播的时间来计算风速，一般采用时差法来测量。时差法是通过一对超声波换能器探头在相对的两个方向分别发射和接收超声波脉冲，测量两个方向的传输时间，计算得到气流速度。发射端超声换能器在激励电路的驱动下，发出超声波脉冲，接收端将接收的超声脉冲转换成电信号并进行处理，从而测得超声波脉冲从发射到接收的时间。通过两个方向传输时间计算气流速度的方法如下：

式中V为气流速度；L为发射、接收探头的距离；t1、t2为超声波脉冲在两个方向的传输时间。

2.4.2 组成结构

超声风传感器由超声换能器、激励电路、信号处理电路等组成。

3 风传感器的故障判断及维修

3.1 风向传感器故障判断及维修

判断风向传感器有无异常的方法需要人工观察，比如当北方有冷空气来袭，风向传感器显示测量却是其他方向，这个时候就说明出现故障，一般产生原因就是风向传感器在安装时指北标志出现问题。

若发现风向传感器的风向标转动数值并无明显变化，那么一般这种情况的产生缘故是供电系统不符合要求，可能是供电电压值过小，或者是没有电压，还有一种情况就是CAN 总线发生了短路或者是断路。如若上述这些都没有问题，有可能是风向传感器轴承太脏或轴承干涩，需要清洁维护。[2]

3.2 风速传感器故障判断及维修

风向风速传感器在气温较低的情况下容易出现冻结的状况，因此风向风速传感器内部都要安装加热硬件，加热硬件故障也是风向风速传感器发生故障的原因之一，加热软件可以在冷天的时候维持风向、风速传感器的温度保持仪器运作，一般气温低于4℃以下加热硬件就会开始运作。但是如果维护不当，风向风速传感器内的加热软件停止了运作，那么当降温的时候，风向风速传感器的测量数值差异就会发生很大的变化，这个时候相关人员就要将风向风速传感器内的加热硬件取出并替换维修，还要注意在风向风速传感器的外壳缝隙上做一些防水的处理，重新安装风速传感器。