CN104820108A - 一种基于空间摆的机械式二维风速风向传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于空间摆的机械式二维风速风向传感器,本发明包括三个圆环C1-C3;九根连杆L1-L9;空心球B1;圆盘P1;两个霍尔角度传感器H1、H2和配重块BW。四根连杆L1-L4将圆环C1和圆环C2连为一个圆台形,构成支架;圆环C3为圆环C2的内环,连杆L6、L7由圆环C3外沿连接到圆环C2;空心球B1,三根连杆L5、L8、L9和圆盘P1构成一个整体;圆盘P1半径小于圆环C3半径,圆盘P1、圆环C3和圆环C2的圆心重合,位于同一直线上的连杆L8、L9将圆盘P1连接至圆环C3。本发明结构简单,实施方便,减少了风杯和风向标式机械旋转测量法中的旋转惯性部件,提高了工作可靠性和使用寿命。
Description
技术领域
本涉发明发明及一种环境监测传感器,特别是机械式风速风向传感器装置。
背景技术
风速风向传感器已被大量应用在气象、环保、工农业生产以及野外科考等行业,特别是对于风力发电行业而言,更是具有不可缺少和替代的作用。目前已有的测量风速风向技术主要包括以下三种:采用风杯和风向标的机械旋转式测量法;超声波测量法;MEMS芯片测量法。
采用风杯和风向标的机械旋转式传感器,由于存在转动惯性,若风向和风速传感器的启动风速不同时,易造成错误的测量结果;再加上风的湍流特征,其测量结果与实际的风矢量之间有较大的差异。此种形式的传感器,转动部件易磨损,体积较大,需要经常维护,且仪器支架和安装支架对测量精度有着很大的影响。同时,机械式旋转式测量还存在启动风速,低于启动值的微风将无法测量。
超声波式测量主要有时差法、多普勒法、涡街法和相关法等测量方法。时差法最为常见,其原理为:在平静空气中,声波的传播速度会被空气流动所改变。如果风向和声波的传播方向相同,就会增大声波的传播速度,反之则会减小声波的速度。利用超声波测风克服了机械式风速风向仪的上述缺点,没有了机械活动支架,不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题,也没有“机械惯性”,理论上可以测量的风速范围下限为零,不存在启动风速,风速上限可以根据传感器间距进行调整。但该测量方式至少需要两组超声波换能器,价格是机械式测量法的几倍甚至几十倍。
采用MEMS芯片的测量法是最近发展出来的,通过在圆柱体上打两个相互正交的通孔,在每个孔的中间放置一个MEMS风速传感器芯片,即可综合每个芯片测量到的数据计算出实时的风速和风向。该测量法首先需要建立理论模型以指出其最优结构参数,但气流通路通常会过于复杂,要根据流体力学原理对圆柱体绕流问题进行数学建模和理论分析,设计制作复杂度和生产成本都较高。
综上所述,设计出一种安装使用方便、易于维护甚至免维护、可靠性高且成本较低的风速风向传感器是一个急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种风速风向传感器。
本发明的组成:包括三个圆环C1-C3;连杆:L1-L9;空心球B1;圆盘:P1;两个霍尔角度传感器:H1、H2和配重块:BW。
四根等长连杆L1-L4沿圆周均布将圆环C1和圆环C2连为一个圆台形,构成支架,圆环C1半径大于圆环C2半径,C1位于下方,C2位于上方。
圆环C3为圆环C2的内环,由位于同一直线上的等长连杆L6、L7由圆环C 3外圆周连接到圆环C2,连杆L6与连杆L1的端点在圆环C2交于一点,连杆L6相对圆环C2可转动。连杆L7与连杆L2的端点在圆环C2交于一点,连杆L7相对圆环C2可转动。圆环C3、连杆L6和连杆L7构成一个整体,为空间摆的外旋转模块(以下简称外模块)。
空心球B1,连杆L5、L8、L9和圆盘P1构成一个整体,为空间摆的内旋转模块(以下简称内模块)。圆盘P1半径小于圆环C3,圆盘P1、圆环C3和圆环C2的圆心重合于同一空间点,位于同一直线上的等长连杆L8、连杆L9将圆盘P1连接至圆环C3,连杆L8、连杆L9所在直线与连杆L6、连杆L7所在直线正交于圆盘P1的圆心。连杆L5一端与圆盘P1圆心相连,一端与空心球B1表面一点相连,其中连杆L5即垂直于圆盘P1所在平面,同时也是空心球B1的外法线方向。空心球B1位于圆环C1和圆环C2之间。以连杆L8、连杆L9与圆环C3的交点之间连线为轴,内模块可相对外模块转动。
以圆环C2所在平面为水平面,建立笛卡尔三维空间坐标系:以圆盘P1圆心为原点,沿连杆L6方向为x轴,指示北方(N);俯视圆环C2(即视线由圆环C2指向圆环C1),将x轴顺时针旋转90度为y轴,指示东方(E);按右手螺旋法则定义z轴(即圆环C2的圆心指向圆环C1的圆心)。
霍尔角度传感器H1安装在连杆L6与连杆L1的交点处;霍尔角度传感器H2安装在连杆L8与圆环C3的交点处;配重块BW与霍尔角度传感器H2等重,安装在连杆L9与圆环C3的交点处。
当空心球B1受风力驱动,外模块相对支架旋转,霍尔角度传感器H1测得的旋转角度为α;内模块相对外模块旋转,霍尔角度传感器H2测得的旋转角度为β,由α、β、连杆L5的几何尺寸和材料密度、空心球B1的几何尺寸和材料密度即可计算出风速风向数值。
本发明结构简单,实施方便,相对已有的风速风力传感器而言,减少了风杯和风向标式机械旋转测量法中的旋转惯性部件,提高了工作可靠性和使用寿命;同时相对超声波测量法的成本大大降低,更适合于大规模推广。
附图说明
图1是本发明风速风向传感器的系统结构图;
图2是风速计算物理模型图。
具体实施方式
本发明的机械结构参考图1制作加工与装配。
本发明的组成:包括三个圆环C1-C3;连杆L1-L9;空心球B1;圆盘P1;两个霍尔角度传感器:H1、H2和配重块BW。
四根等长连杆L1-L4沿圆周均布将圆环C1和圆环C2连为一个圆台形,构成支架,圆环C1半径大于圆环C2半径,C1位于下方,C2位于上方。
圆环C3为圆环C2的内环,由位于同一直线上的等长连杆L6、L7由圆环C3连接到圆环C2,连杆L6与连杆L1的端点在圆环C2交于一点,连杆L6相对圆环C2可转动。连杆L7与连杆L2的端点在圆环C2交于一点,连杆L7相对圆环C2可转动。圆环C3、连杆L6和连杆L7构成一个整体,为空间摆的外旋转模块(以下简称外模块)。
空心球B1,连杆L5、L8、L9和圆盘P1构成一个整体,为空间摆的内旋转模块(以下简称内模块)。圆盘P1半径小于圆环C3,圆盘P1、圆环C3和圆环C2的圆心重合于同一空间点,位于同一直线上的等长连杆L8、连杆L9将圆盘P1连接至圆环C3,连杆L8、连杆L9所在直线与连杆L6、连杆L7所在直线正交于圆盘P1的圆心。连杆L5一端与圆盘P1圆心相连,一端与空心球B1表面一点相连,其中连杆L5即垂直于圆盘P1所在平面,同时也是空心球B1的外法线方向。空心球B1位于圆环C1和圆环C2之间。以连杆L8、连杆L9与圆环C3的交点之间连线为轴,内模块可相对外模块转动。
以圆环C2所在平面为水平面,建立笛卡尔三维空间坐标系:以圆盘P1圆心为原点,沿连杆L6方向为x轴,指示北方(N);俯视圆环C2(即视线由圆环C2指向圆环C1),将x轴顺时针旋转90度为y轴,指示东方(E);按右手螺旋法则定义z轴(即圆环C2的圆心指向圆环C1的圆心)。
霍尔角度传感器H1安装在连杆L6与连杆L1的交点处;霍尔角度传感器H2安装在连杆L8与圆环C3的交点处;配重块BW与霍尔角度传感器H2等重,安装在连杆L9与圆环C3的交点的交界处。
当空心球B1受风力驱动,外模块相对支架旋转,霍尔角度传感器H1测得的旋转角度为α;内模块相对外模块旋转,霍尔角度传感器H2测得的旋转角度为β,由α、β、连杆L5的几何尺寸和材料密度、空心球B1的几何尺寸和材料密度即可计算出风速风向数值。
安装时使圆环C2处于水平状态,连杆L6指向北方。
根据空间几何原理,利用霍尔角度传感器H1、H2测得的旋转角度α、β可计算出空心球B1在xy平面的投影方位,即可得此时的风向;同时图2中θ的值也可根据α、β计算得到。
参考图2,由连杆L5的材料和几何尺寸以及空心球B1的材料和几何尺寸,可计算得到连杆L5与空心球B1联合体的重心c的位置及其总重力G;根据固体力学原理,可计算得到风力Fw的大小,再结合风速风力的相互关系,由Fw与B1外半径R可推导出此时的风速值。
Claims (1)
1. 一种基于空间摆的机械式二维风速风向传感器,其特征在于:包括三个圆环C1-C3,九根连杆L1-L9,空心球B1,圆盘P1,两个霍尔角度传感器H1、H2和配重块BW;
四根等长连杆L1-L4沿圆周均布将圆环C1和圆环C2连为一个圆台形,构成支架,圆环C1半径大于圆环C2半径,C1位于下方,C2位于上方;
圆环C3为圆环C2的内环,由位于同一直线上的等长连杆L6、L7由圆环C3外圆周连接到圆环C2,连杆L6与连杆L1的端点在圆环C2交于一点,连杆L6相对圆环C2可转动,连杆L7与连杆L2的端点在圆环C2交于一点,连杆L7相对圆环C2可转动;圆环C3、连杆L6和连杆L7构成一个整体,为空间摆的外旋转模块,简称外模块;
空心球B1,三根连杆L5、L8、L9和圆盘P1构成一个整体,为空间摆的内旋转模块,圆盘P1半径小于圆环C3半径,圆盘P1、圆环C3和圆环C2的圆心重合,位于同一直线上的等长连杆L8、连杆L9将圆盘P1连接至圆环C3,连杆L8、连杆L9所在直线与连杆L6、连杆L7所在直线正交于圆盘P1的圆心;连杆L5一端与圆盘P1圆心相连,一端与空心球B1表面一点相连,其中连杆L5既垂直于圆盘P1所在平面,同时也是空心球B1的外法线方向;空心球B1位于圆环C1和圆环C2之间;以连杆L8、连杆L9与圆环C3的交点之间连线为轴,内模块可相对外模块转动;
霍尔角度传感器H1安装在连杆L6与连杆 L1的交点处;霍尔角度传感器H2安装在连杆L8与圆环C3的交点处;配重块BW与霍尔角度传感器H2等重,安装在连杆L9与圆环C3的交点处。
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