CN107255733B - 一种风向测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风向测试仪，包括测量系统、控制系统以及旋转运动系统；测量系统包括基座、安装于该基座上的头部壳体以及轴对称安装于头部壳体内两侧的至少三组压力传感器；头部壳体包括前端和尾端，压力传感器由前端向尾端顺次排布；旋转运动系统包括转动轴、底座以及伺服电机；所述转动轴的一端与测量系统的基座连接，另一端与所述伺服电机的输出轴连接；所述伺服电机设于底座内；控制系统的微处理器接收各压力传感器测量的风压信号，并对每组风压信号进行处理，输出控制信号给伺服电机，控制伺服电机的正反转，进一步控制头部壳体的左右旋转，以使头部壳体前端指向来风方向。该风向测试仪抗干扰性好，测量精度高以及便携性好。

Description

一种风向测试仪及测试方法

技术领域

本发明涉及气象测量控制，特别是涉及一种风向测试仪及测试方法。

背景技术

风向是指风吹来的方向，一般用十六方位法表示，风向的测量在实验研究、天气预报、电站监督、航海、军事等诸多领域有着广泛而重要的应用。

在工程测量中，测定指定区域的风向一般采用气象风向标。风标对空气流动产生较大阻力的一端便会顺风转动，显示风向。

现在市面上用于对风向测定的仪器都是基于风标的工作原理，一般通过增加传感器、液晶显示的电子元件提高测量的便捷性。但是，传统型风标存在测量精度低，对局部气流抗干扰性差的缺点。当局部风向稍有扰动，风标即会摆动。

发明内容

发明目的：提供一种测量精度高，使用方便以及便携性好的风向测试仪及测试方法。

技术方案：一种风向测试仪，包括测量系统、控制系统以及旋转运动系统；

测量系统，包括基座、安装于该基座上的头部壳体以及轴对称安装于头部壳体内两侧的至少三组压力传感器；包括前端和尾端，压力传感器由前端向尾端顺次排布；

旋转运动系统，包括转动轴、底座以及伺服电机；所述转动轴的一端与测量系统的基座连接，另一端与所述伺服电机的输出轴连接；所述伺服电机设于底座内；

控制系统，包括微处理器，该微处理器接收各压力传感器测量的风压信号，并对每组风压信号进行处理，输出控制信号给伺服电机，控制伺服电机的正反转，进一步控制头部壳体的左右旋转，以使头部壳体前端指向来风方向。

进一步的，所述头部壳体由两片相同的机翼和底板拼接而成；其前端中空，由前端向尾端逐渐平滑变细。该头部壳体的流线型结构，可以减少外部扰动的产生，提高测量精度。

优选的，所述基座设有竖直通孔，并通过底板上的通孔与头部壳体连通；所述转动轴是空心轴；所述传感器的电源线和信号线依次穿过底板上的通孔、基座上的通孔和空心轴分别与电源模块和微处理器连接。可以保护电源线和信号线，同时节省空间。

进一步的，头部壳体两侧机翼上对称设有多组通孔，且每侧机翼上的通孔位于同一水平线上；其中，压力传感器的橡皮管通过头部壳体两侧机翼上的通孔伸出，压力传感器的通气母管依次穿过底板上的通孔、基座上的通孔和空心轴伸入到底座里。

进一步的，所述微处理器控制伺服电机的正反转圈数，防止电线缠绕抱死伺服电机。

进一步的，所述微处理器包括反馈控制模块以及PID调节模块。可以消除外部干扰信号对系统的影响，提高测量精度。

一种基于所述风向测试仪的测试方法，包括以下步骤：

(1)测量头部壳体两侧的风压

各组压力传感器分别测量头部壳体两侧的风压值，并输入到控制系统；

(2)处理风压信号

控制系统接收各组压力传感器测量的风压值，并由微处理器按预设的算法进行处理；

(3)判定两侧风压是否平衡

根据预设的判定条件，判断两侧风压是否平衡；若平衡，头部壳体前端指向来风方向，伺服电机停止旋转，等待后续信号；若不平衡，微处理器发出控制指令，驱动伺服电机旋转。

进一步的，所述步骤(2)中微处理器按以下公式计算每组压力传感器测量的压力差：

其中，P_i压力传感器测量的头部壳体两侧的风压值，i＝1,2…2n，n为自然数；且i为奇数项的风压值位于同一侧，i为偶数项的风压值位于另一侧；

进一步的，所述步骤(3)按如下方法判断两侧风压是否平衡：

若{△P₁,△P₂,…△P_n}_max≤P₀，且P₁>P₃>…>P_2n-1，P₂>P₄>…>P_2n成立，判定两侧风压平衡，头部壳体前端指向来风方向，伺服电机停止旋转，等待后续控制信号；

若{△P₁,△P₂,…△P_n}_max≤P₀，且P₁>P₃>…>P_2n-1，P₂>P₄>…>P_2n不成立，判定两侧风压不平衡，则微处理器根据风压信号进行计算处理，发出控制指令，驱动伺服电机旋转；其中，当P₁-P₂>P₀时，伺服电机正转，通过转动轴带动头部壳体向P₁侧旋转；当P₁-P₂<P₀时，伺服电机反转，通过转动轴带动头部壳体向P₂侧旋转；当头部壳体前端正对来风风向时，停止旋转；其中，P₀为压力设定值，取值范围为5pa～20pa。

进一步的，所述微处理器记录伺服电极朝着同一方向转动的圈数，当伺服电机超过某一方向设定的转动圈数后，处理器控制伺服电机朝反方向转动，防止电线缠绕抱死伺服电机。

另一实施例中，一种风向测试仪，包括测量系统、控制系统以及旋转运动系统；

测量系统，包括基座、安装于该基座上的头部壳体以及轴对称安装于头部壳体内两侧的至少三组压力传感器；所述头部壳体为水滴形，包括前端和尾，压力传感器由前端向尾端顺次排布；

旋转运动系统，包括转动轴、底座以及伺服电机；所述转动轴的一端通过第一齿轮组与测量系统的基座连接，另一端通过第二齿轮组与所述伺服电机的输出轴连接；所述伺服电机设于底座内；

控制系统，包括微处理器，该微处理器接收各压力传感器测量的风压信号，并对每组风压信号进行处理，得到每组压力传感器的压力差；

当各组压力差均小于预设值，且风压的压力值由头部壳体的前端向尾端梯度减小时；则判定两侧风压平衡，头部壳体前端指向来风方向，伺服电机停止旋转，等待后续控制信号；

否则，判定两侧风压不平衡，则微处理器根据风压信号进行计算处理，发出控制指令，驱动伺服电机旋转。

进一步的，当两侧风压不平衡时，若左侧或右侧风压与右侧或左侧风压的压力差大于预设值，则伺服电机反转，通过转动轴带动头部壳体向左侧旋转；若左侧或右侧风压与右侧或左侧风压的压力差小于预设值，则伺服电机正转，通过转动轴带动头部壳体向右侧旋转；当头部壳体前端正对来风风向时，停止旋转。

进一步的，所述头部壳体由两片相同的机翼和底板拼接而成；其前端中空，由前端向尾端逐渐平滑变细；所述底板上设有一通孔，两侧机翼上对称设有多组通孔，且每侧机翼上的通孔位于同一水平线上。

进一步的，所述头部壳体内设有若干位于同一水平面的支架，用于安装压力传感器；其中，压力传感器的橡皮管通过头部壳体两侧机翼上的通孔伸出。

优选的，所述转动轴是空心轴；所述传感器的电源线和信号线依次穿过底板上的通孔，基座上的通孔，空心轴分别与电源模块和微处理器连接；压力传感器的通气母管依次穿过底板上的通孔，基座上的通孔和空心轴伸入到底座里。

进一步的，所述微处理器记录伺服电极朝着同一方向转动的圈数，当伺服电机超过某一方向设定的转动圈数后，处理器控制伺服电机朝反方向转动，防止电线缠绕抱死伺服电机。

进一步的，所述微处理器包括反馈控制模块以及PID调节模块。

一种基于所述风向测试仪的测试方法，所述压力传感器有2n只，分为n组，由前端向尾端依次排布；包括以下步骤：

(1)测量头部壳体两侧的风压

各组压力传感器测量头部壳体两侧的风压值并输出给控制系统；

(2)处理风压信号

控制系统的微处理器按以下公式计算每组压力传感器测量的压力差为：

其中，P_i压力传感器测量的头部壳体两侧的风压值，i＝1,2…2n，n为自然数；且i为奇数项的风压值位于同一侧，i为偶数项的风压值位于另一侧；

(3)判定两侧风压是否平衡

若{△P₁,△P₂,…△P_n}_max≤P₀，且P₁>P₃>…>P_2n-1，P₂>P₄>…>P_2n成立，判定两侧风压平衡，头部壳体前端指向来风方向，伺服电机停止旋转，等待后续控制信号；

若{△P₁,△P₂,…△P_n}_max≤P₀，且P₁>P₃>…>P_2n-1，P₂>P₄>…>P_2n不成立，判定两侧风压不平衡，则微处理器根据风压信号进行计算处理，发出控制指令，驱动伺服电机旋转；其中，当P₁-P₂>P₀时，伺服电机正转，通过转动轴带动头部壳体向P₁侧旋转；当P₁-P₂<P₀时，伺服电机反转，通过转动轴带动头部壳体向P₂侧旋转；当头部壳体前端正对来风风向时，停止旋转；其中，P₀为压力设定值，取值范围为5pa～20pa。

有益效果：与现有技术相比，本发明的风向测试仪通过对称设置多组压力传感器，来测量测试仪两侧的多组风压，控制系统对压力信号进行处理，来精确控制伺服电机的旋转，进而控制头部壳体的旋转，使其前端指向来风方向，达到精确测量风向的目的。利用伺服电机通电自锁性，消除风标的阻力简谐振动，增强了抗干扰性。通过微处理器记录并控制伺服电机朝着同一方向转动的圈数，来防止电线缠绕抱死伺服电机，导致电机烧坏，提高了系统的可靠性。通过齿轮传动，克服了阻尼带来的测量误差。通过引入PID反馈控制调节，提高了对局部气流的抗干扰性，提高了测量准确度。该风向测试仪可以自动对指定区域的风向进行测量，不用人为读数和记录，测量迅速，并且具有较高的抗外界干扰能力；棱角少，质量轻以及便携性好。

附图说明

图1是风向测试仪结构示意图；

图2是头部壳体的剖面图；

图3是控制系统原理图；

图4是测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的风向测试仪进行详细的描述。

本发明的风向测试仪包括测量系统、控制系统和旋转运动系统；如图1和图2所示，测量系统包括头部壳体2，其安装于基座1上，头部壳体内设有三组SM5852-015W-D型压力传感器，用于测量头部壳体两侧的风压。头部壳体由两片相同的机翼型ABS塑料拼接而成，底部设有底板；头部壳体的前端21向其尾端22为平滑过渡的曲面(即水滴形)，头部需要保证光滑，减少扰动产生；底板上开有通孔24。头部壳体的两侧机翼上设有对称的三组通孔23，且三组通孔位于同一水平面上；进一步的，头部壳体内设有三个支架25，用于安装SM5852-015W-D型压力传感器；头部壳体中空，用于压力传感器电源线和信号线的布线。

旋转运动系统包括转动轴3、伺服电机以及底座4；转动轴的上端通过第一齿轮组与测量系统的基座连接，另一端通过第二齿轮组与伺服电机的输出轴连接；伺服电机、第二齿轮组以及控制系统的Arduino开源电子原型平台，均设于底座内；其中，伺服电机型号为东兴威电机24BYJ48。

控制系统包括Arduino开源电子原型平台，该Arduino开源电子原型平台包括电源模块和微处理器；所述微处理器包括反馈控制模块以及PID调节模块。该电源模块为系统提供电能，型号为LTC3780，12V稳压电源模块；控制原理图如图3所示，微处理器接收测量系统的六只压力传感器测量的风压信号和外部扰动信号，并对每组风压信号进行处理，得到多个压力差，根据所述各压力差和各风压信号进行处理，并通过PID反馈调节来消除外部扰动信号，发出控制信号。

当各组压力差均小于预设值，且风压的压力值由头部壳体的前端向尾端梯度减小时；则判定两侧风压平衡，头部壳体前端指向来风方向，伺服电机停止旋转，等待后续控制信号；

否则，判定两侧风压不平衡，则微处理器根据风压信号进行计算处理，发出控制指令，驱动伺服电机旋转，使得头部壳体转动α角度。

当两侧风压不平衡时，若左侧或右侧风压与右侧或左侧风压的压力差大于预设值，则伺服电机反转，通过转动轴带动头部壳体向左侧旋转；若左侧或右侧风压与右侧或左侧风压的压力差小于预设值，则伺服电机正转，通过转动轴带动头部壳体向右侧旋转；当头部壳体前端正对来风风向时，停止旋转。

另外，控制过程中微处理器记录伺服电极朝着同一方向转动的圈数，当伺服电机超过某一方向设定的转动圈数后，微处理器控制伺服电机朝反方向转动，防止电线缠绕抱死伺服电机。

进一步的，基座为扁圆柱形，设有竖直中心孔；转动轴为中空轴，在保证机械强度的前提下，压力传感器的信号线和电源线由底板上的通孔，经基座上的通孔，穿过空心转动轴，与底座内的Arduino开源电子原型平台电连接。

进一步的，SM5852-015W-D型压力传感器包括一个橡皮管和一个通气母管，通气母管从底板上的通孔，经基座上的通孔，穿过空心转动轴伸入到底座内，底座不密封，压力保持与静态大气压力一致。压力传感器橡皮管由两侧机翼上的通孔伸出，通孔大小与橡皮管外径大小一致。

测量原理为：该风向仪利用空气扰流曲面产生压降的原理，当测量系统头部处于风场中，风沿机翼表面绕流，在翼型尾部风压降低，与头部前端形成压差。若头部中轴线未能正对来风风向，则头部两侧的风压信号不等，将每组压力差和各风压信号引出，通过控制系统的Arduino开源电子原型平台对测量系统头部送来的压力差和风压信号进行处理，并在微处理器中实现反馈控制、比例调节、积分调节以及微分调节等功能；在经Arduino处理之后，向伺服电机发送信号，带动伺服电机运动，经过齿轮组变速，带动空心轴旋转，使得头部绕轴旋转，使得测试仪头部正对来风方向。当头部中轴线正对来风风向时，头部两侧压差相等，伺服电机停止工作，实现对风来向的测定。同时，处理器记录伺服电机朝着同一方向转动的圈数，当伺服电机已经超某一方向转动一定圈数之后，伺服电机不再根据有测量系统头部传来的信号转动，而是朝反方向转动数圈，防止电线缠绕抱死伺服电机，导致电机烧坏，提高系统的可靠性。同时，该测试仪通过伺服电机，克服阻尼带来的测量误差，利用伺服电机带电自锁性，消除风向仪的阻力简谐振动，增强抗干扰性。

其中，PID控制调节的基本输入输出关系如下式所示：

其中，δ为比例系数，T₁为积分时间常数，T_d为微分时间常数，e(t)为控制系统的偏差信号，e(t)＝p(t)-0，p(t)为压力传感器信号经过初步处理所得到的压差与时间的函数；

一种基于上述风向测试仪的测试方法，具体测试方法流程如图4所示，所述压力传感器有6只，分为三组，由前端向尾端依次为第一组，第二组和第三组；包括以下步骤：

(1)测量头部壳体两侧的风压信号

第一组、第二组和第三组压力传感器测量的头部壳体左侧的风压值为第一风压值P₁，第三风压值P₃和第五风压值P₅，右侧的风压值为第二风压值P₂，第四风压值P₄和第六风压值P₆；

(2)处理风压信号

三组压力传感器测量的风压信号输入到控制系统，由控制系统的微处理器进行处理，按以下公式计算每组压力传感器测量的压力差为：

△P₁＝P₁-P₂

△P₂＝P₃-P₄

△P₃＝P₅-P₆

(3)判定两侧风压是否平衡

若{△P₁,△P₂,△P₃}_max≤P₀，且P₁>P₃>P₅，P₂>P₄>P₆成立，判定两侧风压平衡，头部壳体前端指向来风方向，伺服电机停止旋转，等待后续控制信号；

若{△P₁,△P₂,△P₃}_max≤P₀，且P₁>P₃>P₅，P₂>P₄>P₆不成立，判定两侧风压不平衡，则微处理器根据风压信号进行计算处理，发出控制指令，驱动伺服电机旋转；其中，当P₁-P₂>P₀时，即左侧风压值大于右侧风压值，伺服电机正转，通过转动轴带动头部壳体向左侧旋转；当P₁-P₂<P₀时，即左侧风压值小于右侧风压值，伺服电机反转，通过转动轴带动头部壳体向右侧侧旋转；当头部壳体前端正对来风风向时，停止旋转；其中，P₀为压力设定值，取值范围为5pa～20pa。

另外，控制过程中微处理器记录伺服电极朝着同一方向转动的圈数，当伺服电机超过某一方向设定的转动圈数后，微处理器控制伺服电机朝反方向转动，防止电线缠绕抱死伺服电机。

Claims (7)

1.一种风向测试仪，其特征在于：包括测量系统、控制系统以及旋转运动系统；

测量系统，包括基座(1)、安装于该基座上的头部壳体(2)以及轴对称安装于头部壳体内两侧的至少三组压力传感器；头部壳体包括前端(21)和尾端(22)，压力传感器由前端向尾端顺次排布；

旋转运动系统，包括转动轴(3)、底座(4)以及伺服电机；所述转动轴的一端与测量系统的基座连接，另一端与所述伺服电机的输出轴连接；所述伺服电机设于底座内；

控制系统，包括微处理器，该微处理器接收各压力传感器测量的风压信号，并对每组风压信号进行处理，输出控制信号给伺服电机，控制伺服电机的正反转，进一步控制头部壳体的左右旋转，以使头部壳体前端指向来风方向。

2.根据权利要求1所述的一种风向测试仪，其特征在于：所述头部壳体由两片相同的机翼和底板拼接而成；其前端中空，由前端向尾端逐渐平滑变细。

3.根据权利要求2所述的一种风向测试仪，其特征在于：所述基座设有竖直通孔，并通过底板上的通孔与头部壳体连通；所述转动轴是空心轴；所述传感器的电源线和信号线依次穿过底板上的通孔、基座上的通孔和空心轴分别与电源模块和微处理器连接。

4.根据权利要求3所述的一种风向测试仪，其特征在于：头部壳体两侧机翼上对称设有多组通孔，且每侧机翼上的通孔位于同一水平线上；其中，压力传感器的橡皮管通过头部壳体两侧机翼上的通孔伸出，压力传感器的通气母管依次穿过底板上的通孔、基座上的通孔和空心轴伸入到底座里。

5.根据权利要求1所述的一种风向测试仪，其特征在于：所述微处理器控制伺服电机的正反转圈数，防止电线缠绕抱死伺服电机。

6.根据权利要求1所述的一种风向测试仪，其特征在于：所述微处理器包括反馈控制模块以及PID调节模块。

7.一种基于权利要求1所述风向测试仪的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量头部壳体两侧的风压

各组压力传感器分别测量头部壳体两侧的风压值，并输入到控制系统；

(2)处理风压信号

控制系统接收各组压力传感器测量的风压值，并由微处理器按预设的算法进行处理；

(3)判定两侧风压是否平衡

根据预设的判定条件，判断两侧风压是否平衡；若平衡，头部壳体前端指向来风方向，伺服电机停止旋转，等待后续信号；若不平衡，微处理器发出控制指令，驱动伺服电机旋转；

所述步骤(2)中微处理器按以下公式计算每组压力传感器测量的压力差：

其中，P_i为压力传感器测量的头部壳体两侧的风压值，i＝1,2…2n，n为自然数；且i为奇数项的风压值位于同一侧，i为偶数项的风压值位于另一侧；

所述步骤(3)按如下方法判断两侧风压是否平衡：

若{△P₁,△P₂,...△P_n}_max≤P₀，且P₁>P₃>...>P_2n-1，P₂>P₄>...>P_2n成立，判定两侧风压平衡，头部壳体前端指向来风方向，伺服电机停止旋转，等待后续控制信号；

若{△P₁,△P₂,...△P_n}_max≤P₀，且P₁>P₃>...>P_2n-1，P₂>P₄>...>P_2n不成立，判定两侧风压不平衡，则微处理器根据风压信号进行计算处理，发出控制指令，驱动伺服电机旋转；其中，当P₁-P₂>P₀时，伺服电机正转，通过转动轴带动头部壳体向P₁侧旋转；当P₁-P₂<P₀时，伺服电机反转，通过转动轴带动头部壳体向P₂侧旋转；当头部壳体前端正对来风风向时，停止旋转；其中，P₀为压力设定值，取值范围为5pa～20pa；

所述微处理器记录伺服电机朝着同一方向转动的圈数，当伺服电机超过某一方向设定的转动圈数后，微处理器控制伺服电机朝反方向转动，防止电线缠绕抱死伺服电机。

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