CN107356787A - 一种二维风速风向传感器校准系统和校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维风速风向传感器校准系统和校准方法，包括：主旋转盘和次旋转盘；所述次旋转盘设置在主旋转盘上；所述次旋转盘上设置有传感器夹具；本发明结构简单，主旋转盘和次旋转盘的双旋轴设置可以实现对风速、风向的同时校准；利用被测风速风向传感器在静止空气中的相对运动原理，可以实现低风速(小于2m/s)的校准；本发明提出的校准系统和方法实现成本相对较低，操作简单，被测风速风向传感器首次固定后，后续校准操作即可由计算机控制，容易实现全自动化校准。

Description

一种二维风速风向传感器校准系统和校准方法
技术领域
本发明涉及传感器校准技术领域，具体涉及一种二维风速风向传感器校准系统和校准方法。
背景技术
风速风向的校准和人们的日常生活息息相关，并且在建筑暖通、农业生产、洁净厂房、交通物流、航海航天、环境保护以及新能源等领域都至关重要。传统的风速风向校准主要依靠机械式风杯和风向标来实现，由于它们包含机械可动部件，体积较大，而且不可避免的存在启动风速高、长期稳定性差等一些列问题。近些年，逐步发展起来的基于超声原理和热式原理的二维风速风向传感器有效的克服了上述缺点，其中，二维超声风速风向传感器通常使用四个超声波探头，并使它们合理分布在测量平面内，这些超声波探头循环发送和接收超声波，通过超声波在空气中传播的时间差精确测量风速和风向。热式二维风速风向传感器则是通过平面工艺在同一衬底上加工出多个发热电阻和测温电阻，并使它们合理分布在测量平面内，通过流场中的热传递效应来精确测量风速和风向。基于超声原理和热式原理的二维风速风向传感器很好地克服了机械式风速风向传感器的固有缺陷，不存在可动部件，磨损小，维护小，响应速度快，无启动风速限制，并且能够同时测量风速、风向数据。
二维风速风向传感器作为一种测量设备，使用时必须经过有效的校准。目前，行业中普遍采用风洞配合测风装置作为校准设备，风洞用来产生稳定、均匀的风场，测风装置用来测量风场的风速并以此作为标准风速，其又分为皮托管方法、激光多普勒(LDA)方法两种。其中，皮托管法是使用最广泛的，但是它不适合低风速的校准(2m/s以下)，因为风速较小时，皮托管的差压值非常小，由此产生的误差将非常大。LDA(激光多普勒)方法可以测低风速(2m/s以下)，但LDA的价格昂贵，系统稳定时间长，校准过程繁琐，所以LDA多作为国家风速标准。此外，基于风洞的风速校准系统还存在两个共同问题：一是，对于风洞而言，在低风速情况下产生稳定、均匀的风场是一个难题；二是，对于风向的校准还需要额外的分度装置，这给二维风速风向传感器的校准带来不便。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种二维风速风向校准系统和校准方法，结构简单，可以在低风速的情况下对风速、风向进行校准；同时成本相对较低，操作简单，被测二维风速风向传感器首次固定后，后续校准操作即可由计算机控制，容易实现全自动化校准。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种二维风速风向传感器校准系统，包括：主旋转盘和次旋转盘；所述主旋转盘通过主旋转轴与主电机相连接，主电机上设置有主角度编码器；所述次旋转盘设置在主旋转盘上，次旋转盘通过次旋转轴与次电机相连接，次电机上设置有次角度编码器；所述次旋转盘上活动连接有传感器夹具；所述主电机和次电机通过电机控制模块与上位机相连接，主角度编码器和次角度编码器通过数据采集模块与上位机相连接。
作为本发明的一个优选的技术方案：所述传感器夹具通过位置调节装置与次旋转盘相连接。
作为本发明的一个优选的技术方案：所述位置调整装置包括连接在次旋转盘上底座，底座上设有多个分布在底座中心附近调整螺钉。
作为本发明的一个优选的技术方案：所述次旋转盘固定在主旋转盘的平面上。
一种二维风速风向传感器的校准方法：
步骤一：将被测二维风速风向传感器安装在传感器夹具上，对所述传感器夹具进行粗调，使被测二维风速风向传感器的中心轴线大致与所述次旋转盘的旋转轴重合；所述上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动次电机工作，并带动次旋转盘缓慢旋转；观察被测二维风速风向传感器的风速示值以确定被测二维风速风向传感器的中心轴线与所述次旋转盘旋转轴的偏离程度，并对所述传感器夹具进行微调，使被测二维风速风向传感器的中心轴线与所述次旋转盘的旋转轴重合；
步骤二：根据所需要校准的风向测量点，通过上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动次电机工作，并带动次旋转盘缓慢转动，使得被测二维风速风向传感器的上述风向角与主旋转盘的旋转切线方向对齐；
步骤三：根据所需校准的风速测量点，计算出主旋转盘的旋转角速度，通过上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动主电机工作，并带动主旋转盘以上述恒定角速度旋转，同时记录所测二维风速风向传感器的风速、风向显示值；
步骤四：根据所需要校准的下一个风向测量点，重复步骤二、步骤三；依次记录不同风向测量点下各个风速测量点对应的风速、风向显示值。
作为本发明的一个优选的技术方案：所述传感器夹具通过位置调节装置与次旋转盘连接，通过位置调节装置对被测二维风速风向传感器进行粗调和细调。
本发明具有以下有益效果：
1、结构简单，主旋转盘和次旋转盘的双旋轴设置可以实现对风速、风向的同时校准。
2、利用被测风速风向传感器在静止空气中的相对运动原理，可以实现低风速(小于2m/s)的校准。
3、本发明提出的校准系统和方法实现成本相对较低，操作简单，被测风速风向传感器首次固定后，后续校准操作即可由计算机控制，容易实现全自动化校准。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明结构流程框图；
图1中，1、主旋转盘，2、次旋转盘，3、传感器夹具，4、位置调节装置，5、底座，6、调整螺钉。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图2所示，本发明实施例提供了一种二维风速风向传感器校准系统，包括：主旋转盘1和次旋转盘2；主旋转盘1通过主旋转轴与主电机相连接，主电机上设置有主角度编码器；次旋转盘2固定在主旋转盘1的平面上，次旋转盘2通过次旋转轴与次电机相连接，次电机上设置有次角度编码器；次旋转盘2上设置有传感器夹具3，传感器夹具3通过位置调节装置4与次旋转盘2相连接，位置调整装置4包括连接在次旋转盘2上的底座5，底座5上设有多个分布在底座中心附近调整螺钉6；主电机和次电机通过电机控制模块与上位机相连接，主角度编码器和次角度编码器通过数据采集模块与上位机相连接本发明结构简单，主旋转盘1和次旋转盘2的设置可以实现对风速、风向的同时校准，同时还可以进行低风速情况下的校准，利用上位机对主旋转盘1和次旋转盘2的转速控制，可以实现不同的校准操作，操作简单。
本发明提供一种二维风速风向传感器校准方法：
将被测二维风速风向传感器垂直安装在被测传感器夹具3上，对位置调节装置4进行粗调，使被测二维风速风向传感器的中心轴线大致与次旋转盘的旋转轴重合，上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动次电机工作，并带动次旋转盘缓慢旋转。通过观察被测二维风速风向传感器的风速示值以确定被测二维风速风向传感器的中心轴线与次旋转盘旋转轴的偏离程度，并对位置调节装置进行微调，使被测二维风速风向传感器的中心轴线与次旋转盘的旋转轴重合。
根据所需要校准的风向测量点，通过上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动次电机工作，并带动次旋转盘2缓慢转动，使得被测风速风向传感器的上述风向角与主旋转盘1的旋转切线方向对齐。
根据所需校准的风速测量点，计算出主旋转盘1的旋转角速度，通过上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动主电机工作，并带动主旋转盘以上述恒定角速度旋转，同时记录所测风速风向传感器的风速、风向显示值。根据所需要校准的下一个风向测量点，重复步骤二、步骤三。依次记录不同风向测量点下各个风速测量点对应的风速、风向显示值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种二维风速风向传感器校准系统，其特征在于：包括：主旋转盘(1)和次旋转盘(2)；所述主旋转盘(1)通过主旋转轴与主电机相连接，主电机上设置有主角度编码器；所述次旋转盘(2)设置在主旋转盘(1)上，次旋转盘(2)通过次旋转轴与次电机相连接，次电机上设置有次角度编码器；所述次旋转盘(2)上活动连接有传感器夹具(3)；所述主电机和次电机通过电机控制模块与上位机相连接，主角度编码器和次角度编码器通过数据采集模块与上位机相连接。
2.根据权利要求1所述的一种二维风速风向传感器校准系统，其特征在于：所述传感器夹具(3)通过位置调节装置(4)与次旋转盘(2)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种二维风速风向传感器校准系统，其特征在于：所述位置调整装置(4)包括连接在次旋转盘(2)上的底座(5)，底座(5)上设有多个分布在底座中心附近调整螺钉(6)。
4.根据权利要求1所述的一种二维风速风向传感器校准系统，其特征在于：所述次旋转盘(2)固定在主旋转盘(1)的平面上。
5.一种二维风速风向传感器的校准方法，其特征在于：
步骤一：将被测二维风速风向传感器安装在传感器夹具上，对所述传感器夹具进行粗调，使被测二维风速风向传感器的中心轴线大致与所述次旋转盘的旋转轴重合；所述上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动次电机工作，并带动次旋转盘缓慢旋转；观察被测二维风速风向传感器的风速示值以确定被测二维风速风向传感器的中心轴线与所述次旋转盘旋转轴的偏离程度，并对所述传感器夹具进行微调，使被测二维风速风向传感器的中心轴线与所述次旋转盘的旋转轴重合；
步骤二：根据所需要校准的风向测量点，通过上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动次电机工作，并带动次旋转盘缓慢转动，使得被测二维风速风向传感器的上述风向角与主旋转盘的旋转切线方向对齐；
步骤三：根据所需校准的风速测量点，计算出主旋转盘的旋转角速度，通过上位机向电机控制模块发送信号，电机控制模块接收到信号后，驱动主电机工作，并带动主旋转盘以上述恒定角速度旋转，同时记录所测二维风速风向传感器的风速、风向显示值；
步骤四：根据所需要校准的下一个风向测量点，重复步骤二、步骤三；依次记录不同风向测量点下各个风速测量点对应的风速、风向显示值。
6.根据权利要求5所述的一种二维风速风向传感器校准方法，其特征在于：所述传感器夹具通过位置调节装置与次旋转盘连接，通过位置调节装置对被测二维风速风向传感器进行粗调和细调。
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