CN105698869B - 一种基于磁悬浮原理的风向风速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁悬浮原理的风向风速测量装置，包括支撑架机构、电源模块、信号采集系统、信号处理系统和无线通讯处理系统。所述信号采集系统包括风速采集机构、风向采集机构和水平仪；所述信号处理系统包括风速处理机构、风向处理机构、水平控制机构和存储器。该装置利用磁悬浮原理实现轴承的无机械摩擦，有效降低装置的启动风速，克服传统测风装置的机械磨损大，启动风速大的问题；同时装置中还设有检测工作平台是否水平的水平仪及风向测量机构，保证装置工作时处于水平状态且风速测量机构对准风向，提高装置的测量精度。

Description

一种基于磁悬浮原理的风向风速测量装置

技术领域

本发明涉及风速测量技术领域，具体是一种基于磁悬浮原理的风向风速测量装置。

背景技术

风向及风速是自然环境的重要信息参数，当前社会日益注重全球环境保护，所以风向与风速尤其是风速需要在大范围内被实时、精确地测量出来。现有技术中对风速的测量装置也有多种，其中五孔探针价格比较昂贵，一般局限于实验室使用；毕托管风速仪，温度对其测量结果影响较大；超声波风速仪、激光多普勒测速仪等对安装的要求十分严格，其结构较为复杂，故障排除较困难，抗干扰性较差；风杯风速仪成本较低，抗风能力强，但其响应速度慢且在风杯中容易积累沙石，一旦沙石积累过多，影响机构精度，只适宜测量精度较低的场合。总之目前的测风装置价格高，使用环境有限，磨损严重，启动风速大，操作不方便，装置的实用性有待进一步提高。所以发明一种启动风速小，机械磨损小的高精度的风速测量装置是非常必要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于磁悬浮原理的风向风速测量装置。该装置利用磁悬浮原理实现轴承的无机械摩擦，有效降低装置的启动风速，克服传统测风装置的机械磨损大，启动风速大的问题；同时装置中还设有检测工作平台是否水平的水平仪及风向测量机构，保证装置工作时处于水平状态且风速测量机构对准风向，提高装置的测量精度。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于磁悬浮原理的风向风速测量装置，其特征在于所述装置包括支撑架机构、电源模块、信号采集系统、信号处理系统和无线通讯处理系统；

所述支撑架机构包括底座、竖直杆、水平工作台、旋转轴承、连接杆和升降杆；所述水平工作台由上平台板和下平台板组成；所述连接杆的底端固定于底座中，顶端通过法兰盘与下平台板连接；所述升降杆及控制升降杆升降的第三步进电机安装在上平台板和下平台板之间；所述升降杆及第三步进电机的数量相同；所述上平台板通过法兰盘与竖直杆连接；所述旋转轴承为行星齿轮机构，控制旋转轴承的第二步进电机的输出轴与旋转轴承的太阳轮的轮心固定连接；所述第二步进电机的另一端固定于竖直杆内部；所述旋转轴承的齿圈与信号采集系统的根部啮合连接；

所述电源模块安装在竖直杆内，与信号采集系统、信号处理系统及无线通讯处理系统电连接；

所述信号采集系统包括风速采集机构、风向采集机构和水平仪；所述风速采集机构包括扇叶和磁悬浮轴承机构；所述扇叶安装于磁悬浮轴承机构的端部；所述磁悬浮轴承机构安装于风速采集机构的壳体内；所述磁悬浮轴承机构主要包括功率放大器、旋转轴、两个径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、推力盘、第一步进电机、两个保护轴承、两个径向位移传感器、轴向位移传感器和控制器；所述旋转轴与扇叶连接；所述两个径向磁悬浮轴承安装于旋转轴上；所述轴向磁悬浮轴安装于旋转轴上；所述推力盘安装在轴向磁悬浮轴承的中间；所述两个径向位移传感器分别固定在各自径向磁悬浮轴承旁侧；所述轴向位移传感器固定在磁悬浮轴承机构两端的端盖上；所述两个保护轴承安装旋转轴的两端；所述功率放大器的输出端与两个径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承中的线圈连接，输入端与控制器连接；所述控制器的输入端分别与功率放大器、两个径向位移传感器和轴向位移传感器连接；所述第一步进电机安装于两个径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的中间位置；所述风向采集机构安装在扇叶的轴心处；所述水平仪安装在水平工作台上；

所述信号处理系统包括风速处理机构、风向处理机构、水平控制机构和存储器；所述风速处理机构包括第一A/D转换器、第一单片机；所述第一A/D转换器输入端与第一步进电机连接，输出端与第一单片机输入端口连接，第一单片机输出端分别与无线通讯模块及存储器连接；所述风向处理机构包括第二A/D转换器、第二单片机、第二驱动电路和第二步进电机；所述第二A/D转换器输入端与风向采集机构连接，输出端与第二单片机输入端连接，第二单片机的输出端分别与第二驱动电路的输入端、无线通信模块及存储器连接，第二驱动电路输出端与第二步进电机连接；所述水平控制机构包括第三A/D转换器、第三步单片机、第三驱动电路和第三步进电机；所述第三A/D转换器输入端与水平仪连接，输出端与第三单片机输入端连接，第三单片机输出端与第三驱动电路输入端连接，第三驱动电路输出端与第三步进电机连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)本发明机械结构简单设计合理，灵敏度高，风速采集机构采用磁悬浮轴结构，降低转动轴承之间的机械摩擦、磨损，且使启动风速变小，即使很小的风也能检测到，提高了测量精度；磁悬浮轴承可以在恶劣的环境下工作，且用扇叶代替风杯能更好的适应风沙等恶劣环境，测量结果受外界环境影响小；由于完全消除磨损，所以磁力轴承寿命实际上是控制系统元件的寿命，比机械接触轴承使用周期要长很多，同时可以减少维护工作量，解决了目前市场上风速测量装置的机械磨损大、使用寿命短等问题。

2)本发明对风的方向要求不受限制，可自动360度跟踪风向，且其旋转轴采用行星轮系，其体积小、质量小、传动效率高、平稳性高，且只需施加很小的驱动力便可驱动风速采集机构旋转至对准风向方向。此外本发明装置还增加了水平工作台控制机构，自动检测使水平工作台时刻保持在水平状态，提高测量的精确度。

3)本发明利用蓄电池，利用风能发电，当装置工作时可为整个装置提供电源，不需外界额外电源供电，符合节能环保时代的要求。

4)本发明装置增加了对采集数据的存储器，将测量数据随时保存，便于对风向、风速数据的统计，可随时对数据调用。

附图说明

图1是本发明基于磁悬浮原理的风向风速测量装置一种实施例的整体结构框图；

图2是本发明基于磁悬浮原理的风向风速测量装置一种实施例的整体结构示意图；

图3是本发明基于磁悬浮原理的风向风速测量装置一种实施例的磁悬浮轴承的结构示意图；

图4是本发明基于磁悬浮原理的风向风速测量装置一种实施例的旋转轴承的结构示意图；

图5是本发明基于磁悬浮原理的风向风速测量装置一种实施例的信号处理系统的结构框图。(图中，1-支撑架机构，2-电源模块，3-信号采集系统，4-信号处理系统，5-无线通讯处理系统，11-底座，12-竖直杆，13-水平工作台，14-旋转轴承，15-连接杆，16-升降杆，31-风速采集机构，32-风向采集机构，33-水平仪，41-风速处理机构，42-风向处理机构，43-水平控制机构，44-存储器，311-扇叶，312-磁悬浮轴承机构，411-第一A/D转换器，412-第一单片机，421-第二A/D转换器，422-第二单片机，423-第二驱动电路，424-第二步进电机，431-第三A/D转换器，432-第三单片机，433-第三驱动电路，434-第三步进电机，3120-功率放大器，3121-旋转轴，3122-径向磁悬浮轴承，3123-轴向磁悬浮轴承，3124-推力盘，3125-第一步进电机，3126-保护轴承，3127-径向位移传感器，3128-轴向位移传感器，3129-控制器)

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于磁悬浮原理的风向风速测量装置(参见图1-5，简称装置)，其特征在于包括支撑架机构1、电源模块2、信号采集系统3、信号处理系统4和无线通讯处理系统5；

所述支撑架机构1包括底座11、竖直杆12、水平工作台13、旋转轴承14、连接杆15和升降杆16；所述底座11为肋板型底座，固定于地面上，增加装置的稳定性；所述水平工作台13由上平台板和131下平台板132组成；所述连接杆15的底端固定于底座11中，顶端通过法兰盘与下平台板132连接；所述升降杆16及控制升降杆16升降的第三步进电机434安装在上平台板131和下平台板132之间，用于对上平台板131进行微调以保证整个水平工作台处于水平状态；所述升降杆16及第三步进电机434的数量相同，升降杆16及第三步进电机434的数量可以根据具体要求增减；所述上平台板131通过法兰盘与竖直杆12连接；所述竖直杆12和连接杆15的数量可以根据支撑架机构1高度的要求适当增减；所述旋转轴承14为行星齿轮机构，控制旋转轴承14的第二步进电机424的输出轴与旋转轴承14的太阳轮的轮心固定连接；所述第二步进电机424的另一端固定于竖直杆12内部；所述旋转轴承14的齿圈与信号采集系统3的根部啮合连接，控制风向采集机构32的方向；

所述电源模块2可以是蓄电池，所述电源模块2安装在竖直杆12内，与信号采集系统3、信号处理系统4及无线通讯处理系统5电连接，在装置工作时为整个装置供电。

所述信号采集系统3包括风速采集机构31、风向采集机构32和水平仪33；所述风速采集机构31包括扇叶311和磁悬浮轴承机构312；所述扇叶311安装于磁悬浮轴承机构312的端部；所述磁悬浮轴承机构312安装于风速采集机构31的壳体内；所述磁悬浮轴承机构312主要包括功率放大器3120、旋转轴3121、两个径向磁悬浮轴承3122、轴向磁悬浮轴承3123、推力盘3124、第一步进电机3125、两个保护轴承3126、两个径向位移传感器3127、轴向位移传感器3128和控制器3129；

所述旋转轴3121与扇叶311连接；所述两个径向磁悬浮轴承3122安装于旋转轴3121上；所述轴向磁悬浮轴3123安装于旋转轴3121上；所述推力盘3124安装在轴向磁悬浮轴承3123的中间，主要用于稳定平衡磁悬浮轴承机构312的轴向方向的平衡稳定；所述两个径向位移传感器3127分别固定在各自径向磁悬浮轴承3122旁侧；所述轴向位移传感器3128固定在磁悬浮轴承机构312两端的端盖上；所述两种传感器的位置均采用差动结构以提高位移测量的稳定性和精度；所述两个保护轴承3126安装旋转轴3121的两端，在旋转轴3121正常工作期间保护轴承3126不与旋转轴3121接触，当旋转轴3121不工作时保护轴承3126起临时支承旋转轴3121的作用，防止旋转轴3121与第一步进电机3125定子及磁悬浮轴承312定子碰撞而损坏磁悬浮轴承机构312；所述功率放大器3120的输出端与两个径向磁悬浮轴承3122和轴向磁悬浮轴承3123中的线圈连接，输入端与控制器3129连接；所述控制器3129的输入端分别与功率放大器3120、两个径向位移传感器3127和轴向位移传感器3128连接，将位移信号变换成控制信号，改变绕组上的电流改变电磁力，使旋转轴3121返回到原来的平衡位置，使旋转轴3121始终能处于稳定的平衡位置，抗干扰性大；所述第一步进电机3125安装于两个径向磁悬浮轴承3122和轴向磁悬浮轴承3123的中间位置；整个旋转轴3121所受电磁力与旋转轴3121自身的重力平衡使其处于悬浮平衡位置，当旋转轴3121受到扰动偏离平衡位置时，轴向位移传感器3128检测出其偏离参考位置的位移，进行调整。

所述风向采集机构32为压力传感器，安装在扇叶311的轴心处以检测风向；当风向发生变化时，风向采集机构32将获取的风向信息传递给风向处理机构42，驱动第二步进电机424工作，第二步进电机424只需对旋转轴承14施加很小的驱动力便可使其驱动风速采集机构31旋转至对准风向方向，完成风向自动跟踪的工作过程。所述水平仪33安装在水平工作台13上，根据接收到红外信号判断水平工作台13的偏向，控制升降杆16对水平工作台13进行微调至水平。

所述信号处理系统4包括风速处理机构41、风向处理机构42、水平控制机构43和存储器44；所述风速处理机构41包括第一A/D转换器411、第一单片机412；所述第一A/D转换器411输入端与第一步进电机3125连接，输出端与第一单片机412输入端口连接，第一单片机412输出端分别与无线通讯模块5及存储器44连接；所述风向处理机构42包括第二A/D转换器421、第二单片机422、第二驱动电路423和第二步进电机424；所述第二A/D转换器421输入端与风向采集机构32连接，输出端与第二单片机422输入端连接，第二单片机422的输出端分别接第二驱动电路423的输入端、无线通信模块5及存储器44，第二驱动电路423输出端与第二步进电机424连接；所述水平控制机构43包括第三A/D转换器431、第三步单片机432、第三驱动电路433和第三步进电机434；所述第三A/D转换器431输入端与水平仪33连接，输出端与第三单片机432输入端连接，第三单片机432输出端与第三驱动电路433输入端连接，第三驱动电路433输出端与第三步进电机434连接；

当水平工作台13处于非水平状态时，水平仪33将信息传递给第三A/D转换器431，信息输入到第三单片机432，第三单片机432将控制信息输出，驱动第三驱动电路433工作，驱动第三步进电机434动作驱动升降杆16进行微调直至工作平台于水平状态。

所述旋转轴承14为行星轮结构；当风向采集机构32检测到风向后，第二步进电机424被驱动，带动旋转轴承14旋转，第二步进电机424只需驱动中间的齿轮，带动其他齿轮转动，从而使扇叶311对准风向方向。所述旋转轴承14采用行星轮系结构，体积小、质量小、传动效率高、平稳性高，且只需对第二步进电机424施加很小的驱动力便可使所述装置旋转至对准风向方向。

所述无线通讯处理系统5采用无线通讯设备，无线通讯设备将装置监测到的风向、风速信息传输到监控中心，实现实时监控。

本发明的工作原理和工作流程是：工作开始，扇叶311接受风速转动，保护轴承3126张开不与旋转轴3121接触，扇叶311带动旋转轴3121转动，第一步进电机3125中产生电流，第一A/D转换器411将在第一步进电机3125中采集到的电流信号转换成数字信号传递给第一单片机412，第一单片机412将所采集到的信号与存储在单片机的程序对比计算出风速，再将风速信息经无线通讯模块5传递给调控中心并传递给存储器44保存；与此同时，当风向采集机构32监测到的风向与其所在方向不一致时，第二A/D转换器421将其采集到的信号转换成数字信号传递给第二单片机422，第二单片机422自动分析第二A/D转换器421传来的数字信号判断风向，再将风向信号输入到第二驱动电路423，第二驱动电路423驱动第二步进电机424旋转，第二步进电机423带动旋转轴承14转动至风向，同时第二单片机422将所采集到的风向信息经无线通讯模块5传递给调控中心并传递给存储器44保存；与此同时，如果水平工作台13不是处于水平状态，水平仪33将信息传递给第三A/D转换器431，信息输入到第三单片机432，第三单片机432将控制信息输出，驱动第三驱动电路433工作，驱动第三步进电机434动作驱动升降杆131进行微调直至水平工作台13于水平状态。以上风速、风向、水平监测三部分的工作分别同时完成。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种基于磁悬浮原理的风向风速测量装置，其特征在于所述装置包括支撑架机构、电源模块、信号采集系统、信号处理系统和无线通讯处理系统；

所述支撑架机构包括底座、竖直杆、水平工作台、旋转轴承、连接杆和升降杆；所述水平工作台由上平台板和下平台板组成；所述连接杆的底端固定于底座中，顶端通过法兰盘与下平台板连接；所述升降杆及控制升降杆升降的第三步进电机安装在上平台板和下平台板之间；所述升降杆及第三步进电机的数量相同；所述上平台板通过法兰盘与竖直杆连接；所述旋转轴承为行星齿轮机构，控制旋转轴承的第二步进电机的输出轴与旋转轴承的太阳轮的轮心固定连接；所述第二步进电机的另一端固定于竖直杆内部；所述旋转轴承的齿圈与信号采集系统的根部啮合连接；

所述电源模块安装在竖直杆内，与信号采集系统、信号处理系统及无线通讯处理系统电连接；

所述信号采集系统包括风速采集机构、风向采集机构和水平仪；所述风速采集机构包括扇叶和磁悬浮轴承机构；所述扇叶安装于磁悬浮轴承机构的端部；所述磁悬浮轴承机构安装于风速采集机构的壳体内；所述磁悬浮轴承机构主要包括功率放大器、旋转轴、两个径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承、推力盘、第一步进电机、两个保护轴承、两个径向位移传感器、轴向位移传感器和控制器；所述旋转轴与扇叶连接；所述两个径向磁悬浮轴承安装于旋转轴上；所述轴向磁悬浮轴安装于旋转轴上；所述推力盘安装在轴向磁悬浮轴承的中间；所述两个径向位移传感器分别固定在各自径向磁悬浮轴承旁侧；所述轴向位移传感器固定在磁悬浮轴承机构两端的端盖上；所述两个保护轴承安装旋转轴的两端；所述功率放大器的输出端与两个径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承中的线圈连接，输入端与控制器连接；所述控制器的输入端分别与功率放大器、两个径向位移传感器和轴向位移传感器连接；所述第一步进电机安装于两个径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承的中间位置；所述风向采集机构安装在扇叶的轴心处；所述水平仪安装在水平工作台上；

所述信号处理系统包括风速处理机构、风向处理机构、水平控制机构和存储器；所述风速处理机构包括第一A/D转换器、第一单片机；所述第一A/D转换器输入端与第一步进电机连接，输出端与第一单片机输入端口连接，第一单片机输出端分别与无线通讯模块及存储器连接；所述风向处理机构包括第二A/D转换器、第二单片机、第二驱动电路和第二步进电机；所述第二A/D转换器输入端与风向采集机构连接，输出端与第二单片机输入端连接，第二单片机的输出端分别与第二驱动电路的输入端、无线通信模块及存储器连接，第二驱动电路输出端与第二步进电机连接；所述水平控制机构包括第三A/D转换器、第三步单片机、第三驱动电路和第三步进电机；所述第三A/D转换器输入端与水平仪连接，输出端与第三单片机输入端连接，第三单片机输出端与第三驱动电路输入端连接，第三驱动电路输出端与第三步进电机连接。

2.根据权利要求1所述的基于磁悬浮原理的风向风速测量装置，其特征在于所述底座为肋板型底座。

3.根据权利要求1所述的基于磁悬浮原理的风向风速测量装置，其特征在于所述电源模块是蓄电池。

4.根据权利要求1所述的基于磁悬浮原理的风向风速测量装置，其特征在于所述风向采集机构为压力传感器。