CN105929195A - 一种风速风向传感器及风速风向计算方法 - Google Patents

一种风速风向传感器及风速风向计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种风速风向传感器及风速风向计算方法，该传感器包括：感应件、传感器本体、计算单元、显示单元和底座，其中，所述传感器本体包括固定在所述底座上的外壳及至少三个应变片，所述应变片均匀等距地设置在所述柱状结构的内壁上；所述感应件的顶部为回转体结构，所述感应件的顶部裸露在空气中，底部贯穿所述中空的柱状结构后，固定于所述底座上，所述感应件的底部的外表面与所述应变片接触设置；所述计算单元的输入端与所述应变片连接，输出端与所述显示单元连接，所述计算单元用于根据所述应变片的形变量，计算出当前时刻的风速和风向，并通过显示单元显示出来。通过本发明的技术方案，可以提高风速和风向计算的准确度。

Description

一种风速风向传感器及风速风向计算方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种风速风向传感器及风速风向计算方法。
背景技术
我国现在普遍使用风杯测量风速，使用风标测量风向，而风杯和风标都是机械式风向风速传感器，缺点：需要一定的启动风速才能测量其风速的大小，当风速减小或者停止的时候，由于惯性风杯还会持续转动，再者由于转动部件的润滑、轴承等情况不同，风速测量值会有误差；风标也需要一定的风速才能转动，当风速较小时，利用风标测量风向准确度不高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风速风向传感器及使用该传感器进行风速和风向计算的方法，以提高风速和风向计算的准确度。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种风速风向传感器，包括：感应件、传感器本体、计算单元、显示单元和底座，其中，
所述传感器本体包括固定在所述底座上的外壳及至少三个应变片，所述应变片均匀等距地设置在所述柱状结构的内壁上；
所述感应件的顶部为回转体结构，所述感应件的顶部裸露在空气中，底部贯穿所述中空的柱状结构后，固定于所述底座上，所述感应件的底部的外表面与所述应变片接触设置；
所述计算单元的输入端与所述应变片连接，输出端与所述显示单元连接，所述计算单元用于根据所述应变片的形变量，计算出当前时刻的风速和风向，并通过显示单元显示出来。
优选地，所述感应件由钢或铝合金材料制成，所述感应件的顶部内有充满空气的空腔，感应件的顶部裸露在空气中。
优选地，所述感应件为球状、椭球状、袋状、雨滴状或纺锥状结构。
优选地，所述外壳为中空的柱状结构。
优选地，所述应变片为四个，分布设置在所述中空的柱状结构的内壁上的正北方向、正南方向、正西方向和正东方向。
一种使用上述的风速风向传感器进行风向计算的方法，包括：
步骤S101、将M个应变片所在的同一圆周进行N等分，每个应变片均位于等分点上；选取正北方向所对应的等分点为第一等分点，对应0度，顺时针方向依次标定其余各等分点的序号及所述序号对应的度数；其中，M≥3，N≥M*n，n为偶数，n≥2；
步骤S102、确定当前时刻各应变片的形变量中的第一大形变量X1和第二大形变量X2，设第一大形变量X1对应的应变片的序号为MX1，第二大形变量X2对应的应变片的序号为MX2，其中，1≤MX1＜MX2，|X2|≤|X1|；
步骤S103、根据公式X1*Y＝X2*(N/M-Y)，计算出应变片MX1和MX2的平衡点所对应的序号为MX1+Y，其中，0≤Y≤N/M；
步骤S104、查找序号MX1+Y所对应的度数，即为当前时刻的风向，返回步骤S102。
一种使用上述的风速风向传感器进行风速计算的方法，包括：
步骤S201、建立不同的应变片形变量和风速之间的对应关系；
步骤S202、根据当前时刻应变片形变量的平均值及所述不同的应变片形变量和风速之间的对应关系，确定当前时刻的风速。
本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
1、由于感应件的顶部裸露在空气中，当感应件被风吹后，感应件的顶部会带动底部顺着风的方向倾斜，所以通过测量与感应件底部接触设置的应变片的形变量，即可计算出当前时刻的风速和风向。当风速减小或者停止的时候，由于橡胶或乳胶材料制成的感应件能迅速弹回到初始位置，因此相比现有技术，本发明提供的这种风速风向传感器，惯性小、灵敏度高，能提高风速和风向计算的准确度。
2、本发明提供的这种风速风向传感器，由于没有机械转动部件，因此不会面临因长时间使用造成机械磨损而导致计算精度下降的问题，故相比现有技术，风速风向计算值可靠性相对更高。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种风速风向传感器的整体结构示意图；
图2A为本发明一实施例提供的传感器本体的整体结构示意图；
图2B为本发明一实施例提供的传感器本体的俯视图；
图3为本发明一实施例提供的感应件被风吹时的形变示意图；
图4为本发明另一实施例提供的感应件的结构示意图；
图5为本发明另一实施例提供的一种风向计算方法的流程示意图；
图6为本发明另一实施例提供的一种风速计算方法的流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
参见图1，本实施例提供的一种风速风向传感器，包括：感应件1、传感器本体2、计算单元(附图中未示出)、显示单元4和底座3，其中，
参见图2A，所述传感器本体2包括固定在所述底座上的外壳21及至少三个应变片22，参见图2B，所述应变片22均匀等距地设置在所述柱状结构的内壁上；
所述感应件1的顶部为回转体结构，所述感应件1的顶部裸露在空气中，底部贯穿所述中空的柱状结构后，固定于所述底座3上，所述感应件1的底部的外表面与所述应变片22接触设置；
所述计算单元的输入端与所述应变片22连接，输出端与所述显示单元4连接，所述计算单元用于根据所述应变片22的形变量，计算出当前时刻的风速和风向，并通过显示单元4显示出来。
由上述技术方案可知，本发明提供的这种风速风向传感器，由于感应件的顶部裸露在空气中，当感应件被风吹后，参见图3，感应件的顶部会带动底部顺着风的方向倾斜，所以通过测量与感应件底部接触设置的应变片的形变量，即可计算出当前时刻的风速和风向。当风速减小或者停止的时候，由于橡胶或乳胶材料制成的感应件能迅速弹回到初始位置，因此相比现有技术，本发明提供的这种风速风向传感器，惯性小、灵敏度高，能提高风速和风向计算的准确度。
另外，本发明提供的这种风速风向传感器，由于没有机械转动部件，因此不会面临因长时间使用造成机械磨损而导致计算精度下降的问题，故相比现有技术，风速风向计算值可靠性相对更高。
优选地，所述感应件1由钢或铝合金材料制成，所述感应件1的顶部内有充满空气的空腔，感应件1的顶部裸露在空气中。
需要说明的是，感应件的空腔大小可以根据具体实践中对风速风向计算精度的要求进行设置。若对风速风向计算精度要求较高，可以将感应件的空腔设置较大，以提高感应件对风速和风向改变的感应灵敏度；若对风速风向计算精度要求较低，可以将感应件的空腔设置较小。
需要说明的是，感应件1可以根据不同风速，选用不同的材料和形状，例如在经常遭遇台风袭击的南方沿海城市，在使用本发明提供的这种风速风向传感器时，可以选用由合金钢或合金铝材料制成的感应件；在风力较小的内陆城市，在测量近地面风时，可以选用由塑胶、乳胶或橡胶材料制成的感应件，以减低成本。
优选地，所述感应件1为球状、椭球状、袋状、雨滴状(参见图4)或纺锥状结构。
优选地，所述外壳21为中空的柱状结构。
可以理解的是，传感器本体设置为中空的圆柱状结构，可以使设置在圆柱状结构内壁上的应变片更紧密地贴合感应件底部的外表面，提高应变片检测传感器本体的外壳所受应变力的灵敏度，相当于提高了输出的应变片形变量的精度。
优选地，所述应变片22为四个，分布设置在所述中空的柱状结构的内壁上的正北方向、正南方向、正西方向和正东方向。
可以理解的是，选用四个应变片，分别设置在柱状结构的内壁上的正北方向、正南方向、正西方向和正东方向，相比只设置三个应变片，可以提高风速风向的计算精度。
另外，参见图5，本发明另一实施例还提出了一种使用上述风速风向传感器进行风向计算的方法，包括：
步骤S101、将M个应变片所在的同一圆周进行N等分，每个应变片均位于等分点上；选取正北方向所对应的等分点为第一等分点，对应0度，顺时针方向依次标定其余各等分点的序号及所述序号对应的度数；其中，M≥3，N≥M*n，n为偶数，n≥2；
步骤S102、确定当前时刻各应变片的形变量中的第一大形变量X1和第二大形变量X2，设第一大形变量X1对应的应变片的序号为MX1，第二大形变量X2对应的应变片的序号为MX2，其中，1≤MX1＜MX2，|X2|≤|X1|；
步骤S103、根据公式X1*Y＝X2*(N/M-Y)，计算出应变片MX1和MX2的平衡点所对应的序号为MX1+Y，其中，0≤Y≤N/M；
步骤S104、查找序号MX1+Y所对应的度数，即为当前时刻的风向，返回步骤S102。
另外，参见图6，本发明另一实施例还提出了一种使用上述风速风向传感器进行风速计算的方法，包括：
步骤S201、建立不同的应变片形变量和风速之间的对应关系；
步骤S202、根据当前时刻应变片形变量的平均值及所述不同的应变片形变量和风速之间的对应关系，确定当前时刻的风速。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (7)

1.一种风速风向传感器，其特征在于，包括：感应件、传感器本体、计算单元、显示单元和底座，其中，
所述传感器本体包括固定在所述底座上的外壳及至少三个应变片，所述应变片均匀等距地设置在所述柱状结构的内壁上；
所述感应件的顶部为回转体结构，所述感应件的顶部裸露在空气中，底部贯穿所述中空的柱状结构后，固定于所述底座上，所述感应件的底部的外表面与所述应变片接触设置；
所述计算单元的输入端与所述应变片连接，输出端与所述显示单元连接，所述计算单元用于根据所述应变片的形变量，计算出当前时刻的风速和风向，并通过显示单元显示出来。
2.根据权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于，所述感应件由钢或铝合金材料制成，所述感应件的顶部内有充满空气的空腔，感应件的顶部裸露在空气中。
3.根据权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于，所述感应件为球状、椭球状、袋状、雨滴状或纺锥状结构。
4.根据权利要求1所述的风速风向传感器，其特征在于，所述外壳为中空的柱状结构。
5.根据权利要求4所述的风速风向传感器，其特征在于，所述应变片为四个，分布设置在所述中空的柱状结构的内壁上的正北方向、正南方向、正西方向和正东方向。
6.一种使用权利要求1至5任一项所述的风速风向传感器进行风向计算的方法，其特征在于，包括：
步骤S101、将M个应变片所在的同一圆周进行N等分，每个应变片均位于等分点上；选取正北方向所对应的等分点为第一等分点，对应0度，顺时针方向依次标定其余各等分点的序号及所述序号对应的度数；其中，M≥3，N≥M*n，n为偶数，n≥2；
步骤S102、确定当前时刻各应变片的形变量中的第一大形变量X1和第二大形变量X2，设第一大形变量X1对应的应变片的序号为MX1，第二大形变量X2对应的应变片的序号为MX2，其中，1≤MX1＜MX2，|X2|≤|X1|；
步骤S103、根据公式X1*Y＝X2*(N/M-Y)，计算出应变片MX1和MX2的平衡点所对应的序号为MX1+Y，其中，0≤Y≤N/M；
步骤S104、查找序号MX1+Y所对应的度数，即为当前时刻的风向，返回步骤S102。
7.一种使用权利要求1至5任一项所述的风速风向传感器进行风速计算的方法，其特征在于，包括：
步骤S201、建立不同的应变片形变量和风速之间的对应关系；
步骤S202、根据当前时刻应变片形变量的平均值及所述不同的应变片形变量和风速之间的对应关系，确定当前时刻的风速。
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