CN103076464B - 一种风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风速风向传感器，其包括底板（1）、设置在底板（1）上的电阻层（2）、分别设置在电阻层（2）上且互不连接的第一电极（31）、第二电极（32）、第三电极（33）和第四电极（34）、与底板（1）相对设置且相距一定距离的顶板（5）、连接底板（1）和顶板（4）的支杆（4）、设在顶板（5）的电容电极（6）、设在底板（1）和顶板（4）之间的风敏杆（7）、设在顶板（5）的导线（8）；风敏杆（4）的包括固定端和与固定端相对的自由端，其自由端和固定端分别与底板（1）和顶板（5）相连；风敏杆（4）与电阻层（2）之间不接触，风敏杆（4）自由端与电阻层（2）构成电容结构。本发明具有安装简单，可转换量程，功耗低，体积小和温漂小等优点。

Description

一种风速风向传感器

技术领域

本发明涉及一种小型风速风向传感器的结构，尤其是采用电阻分流原理实现的风速风向传感器系统及其测量原理。

背景技术

风速风向传感器在环境监测、野外作业等方面有广泛的应用。该类传感器一般有传统的风杯和风向标结构、纯固态的热丝或热膜结构、以及超声风速测量系统等。传统风杯和风向标结构体积较大、一般在数十厘米或以上，且存在转动部件，容易磨损；热式风速传感器虽然可以做的很小，但温漂和功耗是其固有的问题，需要改进；超声风速传感器近年来得到很大的发展，该传感器具有精度高，测量范围大，且使用寿命长等诸多突出优点，其不利因素是体积较大（10厘米以上），价格偏高。在野外作业等测量方面，需要小型测试系统。因此超小型便携风速风向测量系统仍得到人们的关注并试图研发出新型产品。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种小型风速风向测量结构。该测量系统由一风敏杆和用来定位风敏杆的检测面组成。风敏杆一端固定，另一端自由，在风场中会随风力大小及风向摆动。检测面由电阻层和四个电极组成，用来感应风敏杆自由端的位置变化，风敏杆与检测面构成的电容中的电流在经过检测面到达四个电极上的位置随风敏感杆位置而变化，从而四个电极上的输出电压大小也发生变化，通过测量这四个电极上的电压值，并进行标定就可得到反映风速和风向的信息。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明公开了一种风速风向传感器，其包括底板、设置在底板上的电阻层、分别设置在电阻层上且互不连接的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极、与底板相对设置且相距一定距离的顶板、连接底板和顶板的支杆、设在顶板的电容电极、设在底板和顶板之间的风敏杆、设在顶板的导线；

风敏杆的包括固定端和与固定端相对的自由端，其自由端和固定端分别与底板和顶板相连；

风敏杆与电阻层之间不接触，风敏杆自由端与电阻层构成电容结构。

优选的，电阻层设在底板中心位置，电阻层上的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极相对于电阻层的中心对称放置在电阻层四端，且第一电极、第二电极、第三电极和第四电极结构相同。

优选的，风敏杆安装在顶板的正中心。

有益效果：该风速风向传感器的结构，原理明确电路简单，利用电阻分流原理将结构变化转化成电压变化，无独立发热器件，温漂小，功耗低；可采用微机械加工工艺制造关键部件电阻层2和电极，成本低廉，且体积较小可达到5厘米以内，便于携带和安装，能满足野外等作业的需要；采用电容和电阻相结合实现位置定位，无接触点，抗干扰能力强，器件内部无摩擦，使用寿命长；在顶盖层不同位置设置不同刚性风敏杆，可实现量程切换。与现有的传统风速风向传感器相比，在体积、功耗、性能与价格间实现了更好的协调。

附图说明

图1为本发明的立体示意图。

其中：底板1，电阻层2，第一电极31、第二电极32、第三电极33和第四电极34，支杆4，顶板5，电容电极6，风敏杆7，导线8

图2为本发明的电路测试示意图。

其中：电阻R，输出电压V1，V2，V3，V4，输入交流电压Vs，其他标号同附图1。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明提出的小型风速风向传感器结构，主要利用电阻分流原理实现二维风速风向测量。

传感器的结构如附图1所示，一种风速风向传感器，其包括底板1、设置在底板1上的电阻层2、分别设置在电阻层2上且互不连接的第一电极31、第二电极32、第三电极33和第四电极34、与底板1相对设置且相距一定距离的顶板5、连接底板1和顶板4的支杆4、设在顶板5的电容电极6、设在底板1和顶板4之间的风敏杆7、设在顶板5的导线8；

风敏杆4的包括固定端和与固定端相对的自由端，其自由端和固定端分别与底板1和顶板5相连；

风敏杆4与电阻层2之间不接触，风敏杆4自由端与电阻层2构成电容结构。

电阻层2设在底板1中心位置，电阻层2上的第一电极31、第二电极32、第三电极33和第四电极34相对于电阻层2的中心对称放置在电阻层四端，且第一电极31、第二电极32、第三电极33和第四电极34结构相同。

风敏杆7安装在顶板5的正中心。

风敏杆7在顶板5中心下方垂直放置，与顶板5连接端为固定端，另一端为自由端，风敏杆7的自由端顶端安装电容电极6，该电极6通过导线8引出。

附图2为测试电路示意图。图中，四个电极31、32、33和34分别通过4个相同的接地电阻R接地。同时该四个电极也作为信号输出端，输出电压分别为V1，V2，V3，V4。导线8接交流驱动信号Vs。电容电极6与电阻层2构成一个等效电容，有电流通过该电容进入电阻层2，电流进入点与风敏杆7的自由端电极6的位置有关，该位置到电阻层2上的四个电极3的距离不同，则从该四个电极上流出的电流大小不同。上述电流通过接地电阻R形成各个电极的输出电压。无风时，风敏杆7末端在检测面中心，由于对称性，四个电极3上得到的电压均相等；当有风水平吹过传感器，风敏杆发生弯曲，自由端末端位置偏离中心，则电容电极和电阻层构成的等效电容位置偏离中心，该点通过电阻层到四个电极的结构不再对称，四个电极上得到的电压也不再相等。通过检测四个电极上的电压值，就可根据公式1计算出风敏杆末端的位置（x,y），且该位置偏离中心的距离和方向θ分别与风速W及风向α有关，见公式（2）。因此，通过简单标定就可得到实际的风速和风向值。

$x=\frac{L}{2}\·\frac{(I_{x2}+I_{y1})-(I_{x1}+I_{y2})}{I_{x1}+I_{x2}+I_{y1}+I_{y2}}$

$y=\frac{L}{2}\·\frac{(I_{x2}+I_{y2})-(I_{x1}+I_{y1})}{I_{x1}+I_{x2}+I_{y1}+I_{y2}}---\left(1\right)$

式中，L为电阻层2种两个相对电极之间的间距，I_x1，I_x2，I_y1和I_y2分别为电极31，33，32和34上流过的电流。

$W=K\sqrt{x^2+y^2}$

α＝θ                                                     （2）

式中，K为修正函数，x和y分别为风敏杆自由端的横轴和纵轴坐标。坐标原点为电阻层2的中心。

本发明是一种基于电阻分流原理的小型风速风向传感器结构。由底板1、电阻层2、电极31、32、33、34、支杆4、顶板5、电容电极6、风敏杆7、导线8组成。其中底板1和顶板5对准放置，电阻层2在底板5中央位置，电阻层2上的电极对称放置在电阻层四端，相当于四个电极结构完全相同，电极通过连接接地的4个电阻R电阻值相同。风敏杆7安装在顶板5的正中心，综上，顶板5中心、底板1中心、电阻层2中心点、电极对称中心点、风敏杆7在垂直于底板1面的同一直线上，顶板1、底板5和支杆4对整个结构起支撑和保护作用。

本传感器的制作过程为：采用不导电的刚性材料如硬纸塑料采用注塑技术加工成底板1和顶板5结构，在底板1上采用磁控溅射方法生长氧化铟锡电阻层薄膜2，然后再采用溅射的方法在电阻薄膜2上溅射金属（如铝）并采用光刻和磷酸腐蚀形成四个电极31至34。采用具有弹性的材料如细钢丝制做风敏杆7，由于钢丝本身是导体，可以作为导线用。在顶板5中央的位置开一小孔，将风敏杆用环氧胶固定在该孔内，并从顶板5的另一面用导线8将风敏杆引出。最后用四个金属支杆将底板1和顶板5用螺丝拉紧，保持风敏杆7的自由末端与电阻层2之间有0.1-2mm左右的间隙。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种风速风向传感器，其特征在于，其包括底板(1)、设置在底板(1)上的电阻层(2)、分别设置在电阻层(2)上且互不连接的第一电极(31)、第二电极(32)、第三电极(33)和第四电极(34)、与底板(1)相对设置且相距一定距离的顶板(5)、连接底板(1)和顶板(5)的支杆(4)、设在风敏杆(7)的自由端顶端的电容电极(6)、设在底板(1)和顶板(5)之间的风敏杆(7)、设在顶板(5)的导线(8)； 

风敏杆(4)包括固定端和与固定端相对的自由端，风敏杆(4)的固定端与顶板(5)相连，风敏杆(4)的自由端与电阻层之间有0.1-2mm的间隙； 

风敏杆(4)与电阻层(2)之间不接触，风敏杆(7)自由端与电阻层(2)构成电容结构。 

2.根据权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于，电阻层(2)设在底板(1)中心位置，电阻层(2)上的第一电极(31)、第二电极(32)、第三电极(33)和第四电极(34)相对于电阻层(2)的中心对称放置在电阻层四端，且第一电极(31)、第二电极(32)、第三电极(33)和第四电极(34)结构相同。 

3.根据权利要求1或2所述的风速风向传感器，其特征在于，风敏杆(7)安装在顶板(5)的正中心。