原创一文读懂风向风速传感器(必须收藏)

原创 一文读懂风向风速传感器（必须收藏） 如何测量风速和风向，其实在古代很早就已经出现，著 名的诸葛亮借东风火烧壁，就是因为有效的掌握了风向和风 速方面的知识，从而取得了军事的重大胜利。 作为一种对天气测量的设备，用来测量风的方向在大小的 的风速传感器和风向传感器在各行各业也得到了广泛的应 用，下面我们就看看这两种设备。 风向传感器 风向传感器 是以风向箭头的转动探测、感受外界的风向信息，并将其传 递给同轴码盘，同时输出对应风向相关数值的一种物理装 置。 通常风向传感器主体都采用风向标的机械结构，当风 吹向风向标的尾部的尾翼的时候，风向标的箭头就会指风吹 过来的方向。为了保持对于方向的敏感性，同时还采用不同 的内部机构来给风速传感器辨别方向。 通常有以下三类： 电 磁式风向传感器：利用电磁原理设计，由于原理种类较多， 所以结构与有所不同，目前部分此类传感器已经开始利用陀 螺仪芯片或者电子罗盘作为基本元件，其测量精度得到了进 一步的提高。 光电式风向传感器：这种风向传感器采用绝 对式格雷码盘作为基本元件，并且使用了特殊定制的编码编 码，以光电信号转换原理，可以准确的输出相对应的风向信

电阻式风向传感器：这种风向传感器采用类似滑动变阻器的 结构，将产生的电阻值的最大值与最小值分别标成 360 °与 0°，当风向标产生转动的时候，滑动变阻器的滑杆会随着 顶部的风向标一起转动，而产生的不同的电压变化就可以计 算出风向的角度或者方向了。 风速传感器 风速传感器是一 种可以连续测量风速和风量（风量 =风速 x 横截面积）大小 的常见传感器。 风速传感器大体上分为机械式（主要有螺 旋桨式、风杯式）风速传感器、热风式风速传感器、皮托管 风速传感器和基于声学原理的超声波风速传感器。 螺 旋桨式风速传感器工作原理 我们知道电扇由电动机带动 风扇叶片旋转， 在叶片前后产生一个压力差， 推动气流流动。 螺旋浆式风速计的工作原理恰好与此相反，对准气流的叶片 系统受到风压的作用，产生一定的扭力矩使叶片系统旋转。 通常螺旋桨式速传感器通过一组三叶或四叶螺旋桨绕水平 轴旋转来测量风速，螺旋桨一般装在一个风标的前部，使其 旋转平面始终正对风的来向， 它的转速正比于风速。 风 杯式风速传感器工作原理 风杯式风速传感器，是一种十分 常见的风速传感器，最早由英国鲁宾孙发明。感应部分是由 三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空心杯壳固定在互 成 120 °的三叉星形支架上或互成 90°的十字形支架上，杯 的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的 旋转轴上。 当风从左方吹来时，风杯 1 与风向平行，风对 风杯 1 的压力在最直于风杯轴方向上的分力近似为零。风杯 2与3同风向成 60 度角相交，对风杯 2而言，其凹面迎着风， 承受的风压最大 ;风杯 3其凸面迎风， 风的绕流作用使其所受 风压比风杯 2 小，由于风杯 2 与风杯 3 在垂直于风杯轴方向 上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起 始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。 风 杯开始转动后，由于杯 2 顺着风的方向转动，受风的压力相 对减小，而杯 3 迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增 大，风压差不断减小，经过一段时间后（风速不变时） ，作 用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。这 样根据风杯的转速（每秒钟转的圈数）就可以确定风速的大 小。 当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动， 通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由 计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。目前新型转杯 风速表均是采用三杯的，并且锥形杯的性能比半球形的好 , 当风速增加时转杯能迅速增加转速，以适应气流速度，风速 减小时，由于惯性影响，转速却不能立即下降，旋转式风速 表在阵性风里指示的风速一般是偏高的成为过高效应（产生 的平均误差约为 10%） 热式风速传感器工作原理 热式 风速传感器以热丝 （钨丝或铂丝 ） 或是以热膜 （铂或铬制成薄 膜） 为探头 ,裸露在被测空气，并将它接入惠斯顿电桥，通过 惠斯顿电桥的电阻或电流的平衡关系，检测出被测截面空气 的流速。热膜式风速传感器的热膜外涂有极薄 的石英膜绝 缘层，以便和流体绝缘，并可防止污染，可在带有颗粒的气 流中工作，其强度比金属热线丝高。 当空气温度稳定不变 时，热丝上的耗电功率等于热丝在空气中瞬时耗去的热量。 热丝电阻随温度而变化，热线的电阻和热线温度在通常温度 范围（0〜300 C ）之内，表现为线性关系。放热系数与气流 速度有关，流速越大，对应的放热系数也越大，即散热快； 流速小，则散热慢。 热式风速传感器所测气流速度是电流 与电阻的函数。将电流 （或电阻 ） 保持不变，所测气流速度仅 与电阻 （或电流 ） 一一对应。 热线式风速传感器有恒流与恒 温两种设计电路。恒温式热线风速传感器较为常用。恒温法 原理是测量过程中保持热丝温度恒定，使电桥平衡，此时热 丝电阻保持不变，气流速度只是电流的单值函数，根据已知 的气流速度与电流的关系可求得通过末端装置的气流速度。 恒流式热线风速传感器在测量过程中保持流经热丝的电流 值不变。当电流值不变时，气流速度仅仅与热丝电阻有关。 根据已知的气流速度与热丝电阻的关系可求得通过风速传 感器的气流速度。 热线式风速传感器可测量脉动风速。恒 流式风速传感器热惯性较大，恒温式风速传感器的热惯性相 对较小，具有较高的速度响应。热线式风速传感器的测量精 度均不很高， 使用时要注意温度补偿。 皮托管风速传 感器工作原理 皮托管，又名“空速管” ，“风速管”，是测 量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置，由法国

H.皮托发明而得名。 用实验方法直接测量气流的速度比较 困难，但气流的压力则可以用测压计方便地测出。它主要是 用来测量飞机速度的，同时还兼具其他多种功能。因此，可 用皮托管测量压力，再应用伯努利定理算出气流的速度。皮 托管由一个圆头的双层套管组成（见图） ，外套管直径为 D， 在圆头中心 O 处开一与内套管相连的总压孔， 联接测压计的 一头，孔的直径为0.3〜0.6D。在外套管侧表面距 O约3〜8D 的 C 处沿周向均匀地开一排与外管壁垂直的静压孔， 联接测 压计另一头，将皮托管安放在欲测速度的定常气流中，使管 轴与气流的方向一致， 管子前缘对着来流。 当气流接近 O 点 处，其流速逐渐减低， 流至 O 点滞止为零。 所以 O 点测出的 是总压P。其次，由于管子很细,C点距O点充分远，因此 C 点处的速度和压力已经基本上恢复到同来流速度 V 和压力 P 相等的数值 ,因而在 C 点测出的是静压。 对于低速流动 （流体 可近似地认为是不可压缩的） ,由伯努利定理得确定流速的公 式为： 根据测压计测出的总压和静压差 P-P，以及流体的 密度p ,可以按照式（1）求出气流的速度。 超声波风速

传感器工作原理 超声波风速传感器的工作原理是利用超 声波时差法来实现风速的测量。由于声音在空气中的传播速 度，会和风向上的气流速度叠加。假如超声波的传播方向与 风向相同，那么它的速度会加快；反之，若超声波的传播方 向若与风向相反，那么它的速度会变慢。所以，在固定的检 测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对 应。 通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空 气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速传感器检测 两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影 响可以忽略不计。 超声波风速传感器它具有重量轻、没有 任何移动部件、坚固耐用的特点， 而且不需维护和现场校 准，能同时输出风速和风向。 客户可根据需要选择风速单位、 输出频率及输出格式。 也可根据需要选择加热装置 （在冰冷环 境下推荐使用 ）或模拟输出。 可以与电脑、 数据采集器或其它 具有 RS485 或模拟输出相符合的采集设备连用。如果需要， 也可以多台组成一个网络进行使用。 超声波风速风向仪是 一种较为先进的测量风速风向的仪器。 由于它很好地克服 了机械式风速风向仪固有的缺陷， 因而能全天候地、长久 地正常工作，越来越广泛地得到使用。它将是机械式风速仪 的强有力替代品。 超声波风速传感器特点： 1、采用声波相 位补偿技术，精度更高； 2、采用随机误差识别技术，大风 下也可保证测量的低离散误差，使输出更平稳； 3、针对细 雨，浓雾天气的测量补偿技术，具有更强的环境适应力； 4、 数字滤波技术，抗电磁干扰能力更强； 5、无启动风速限制， 零风速工作，适合室内微风的测量，无角度限制 （360°全方 位），同时获得风速、风向的数据； 6、测量精度高 ;性能稳定 ; 低功耗不需校准； 7、结构坚固，仪器抗腐蚀性强，在安装 和使用时无需担心损坏； 8、设计灵活，轻巧，携带轻便， 安装、拆卸容易； 9、信号接入方便，同时提供数字和模拟 两种信号；10、不需维护和现场校准， 真正的0〜359° 工 作 （无死角 ）。 风向风速传感器的应用 风向传感器和风速 传感器虽然是两种完全独立的传感器，但大多数情况下，这 两种传感器是整合在同一测量设备中，通过综合处理数据信 息，共同发挥作用的。 风向风速传感器在气象领域的应 用 在气象领域，通常需要对许多种自然现象进行观察，如 风速与气象的变化，当然还有风向的变化，对于风向的测量 工作，现在基本是使用风向仪或者风向传感器设备来解决这 个问题。 地面风向变化的测量：在沙漠、高原地区的风沙 治理工作中，通常人们需要注意气流流动的速度与风向的变 化，这样可以掌握到更多的气象数据，一边制定更完善的治 理方案，所以在整个过程中用到风向传感器这种气象设备。 海洋风暴预警：可以说海洋气象预警系统是风向传感器在气 象领域重要应用之一，它为海洋气象预警系统提供的风向变 化数据，是预测台风