CN107607741A - 一种小尺度风场中的三维风向的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，使用三维风向探测器；其包括数据处理器、固定架、水平角探测器和竖向角探测器；所述水平角探测器包括竖向翼、水平向转角传感器；竖向翼以连接杆铰接于固定架处，所述水平向转角传感器设于固定架处并对连接杆水平向转角进行测量；所述竖向角探测器包括水平翼、垂直向倾角传感器和转轴架；竖向角探测器以转轴架固定于竖向翼上方或上方旁侧处；所述垂直向倾角传感器设于水平翼内并对水平翼的垂直向倾角进行检测；所述转轴架铰接于水平翼的重心处；当测量方向时，水平向转角传感器、垂直向倾角传感器把测得的数据送至数据处理器进行处理；本发明能以成熟的低成本传感器获取实测现场的三维风向数据。

Description

一种小尺度风场中的三维风向的测量方法

技术领域

本发明涉及传感器和空气流体综合领域，尤其是一种小尺度风场中的三维风向的测量方法。

背景技术

由于大气在不同空间位置的压力差造成气流的流动，从而形成通常说的风。由于现实中的风是无色无味，不能用肉眼观测得到。因此，如何高效准确和全面的测量具体空间位置的风的方向成为风测量的重点和难点问题。目前市场上使用较多的测量风向的仪器，一般只能测量水平方向的风向的变化，即实现二维的风向的测量，比较典型的方法有超声波风向仪、多普勒雷达、和风向传感器等。其中超声波风向仪和多普勒雷达价格昂贵，复用性差，风向计算通过后期软件实现，操作复杂并且实时性差。而风向传感器具有价格低，复用性好，改装方便；倾角类传感器技术成熟，成本低，可扩展性和实用性强等特点。

但空间中任意一点上的风向在时间和空间上都是动态变化的，在具体应用当中一般需要考虑风场湍流作用对具体应用的影响，例如污染源的扩散、林火蔓延扩散。因此，在传统水平风向测量的基础上，增加风在垂直分量的测量的三维的风向测量方法，对于现实中的受风的影响比较大的预测模拟系统具有更大的实现价值。

本发明综合了风向传感器的优点并结合具体应用中对于三维风向的需要。改进了风向传感器，具体方法见发明内容，使得本发明能支持垂直风向的测量，从而快速测量并实时记录风向的三维矢量值。本发明改进的测量方法可以应用于污染源扩散、城市规划、桥梁和高楼建筑的选址和辅助建设等方面。

发明内容

本发明提出一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，能以成熟的低成本传感器获取实测现场的三维风向。

本发明采用以下技术方案。

一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，所述测量方法使用三维风向探测器对风向进行探测；所述三维风向探测器包括数据处理器、固定架、水平角探测器和竖向角探测器；所述水平角探测器包括竖向翼、水平向转角传感器；所述竖向翼以连接杆铰接于固定架处，所述水平向转角传感器设于固定架处并对连接杆水平向转角进行测量；所述竖向角探测器包括水平翼、垂直向倾角传感器和转轴架；竖向角探测器以转轴架固定于竖向翼上方或上方旁侧处；所述垂直向倾角传感器设于水平翼内并对水平翼的垂直向倾角进行检测；所述转轴架铰接于水平翼的重心处以使水平翼在转轴架两侧的重量平衡；当测量方向时，水平向转角传感器、垂直向倾角传感器把测得的数据送至数据处理器进行处理。

所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理后生成风向的三维矢量数据。

所述水平翼为一锥尖朝向侧面的扁形的四面锥，转轴架铰接于四面锥的前后锥面处，四面锥的上下锥面为受风面。

所述受风面朝侧向延伸以扩大迎风面积。

所述垂直向倾角传感器固定于PCB板上，所述PCB板内嵌于竖向角探测器水平翼壳体内，转轴架以支撑轴铰接于水平翼的前后端面处；所述支撑轴与水平翼的铰接点处设有导电滑环，所述导电滑环与PCB板相连以向水平翼内的元器件供电并导出测量数据；所述垂直向倾角传感器为单轴倾角传感器，垂直向倾角传感器的测量轴方向与支撑轴方向、导电滑环位于同一直线上，垂直向倾角传感器的测量轴与水平翼壳体相接。

水平翼壳体的垂直向倾斜角度与垂直向倾角传感器传感器同步，当无风时，所述水平翼壳体保持水平。

所述垂直向倾角传感器的测量轴与导电滑环之间设有卡块，所述卡块对垂直向倾角传感器的旋转进行限位，使垂直向倾角传感器的旋转范围在180度以下。

所述水平翼的尖端处固定有棒状的配重体。

所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理时，按以下步骤进行；

A1、从水平向转角传感器获取水平向的风向角度数据，按以正北方向为零度参照，把此数据矢量化得到水平风向HDir（x,y,0）；

A2、从垂直向倾角传感器获取以垂直方向角度为参照的风向角度，并把此数据矢量化得垂直风向VDir(0,0,y)；

A3、把水平风向HDir（x,y,0）与垂直风向VDir(0,0,y)相加，得到风向的三维矢量WindDir(x,y,z)。

本发明所述产品可获取实测现场的三维风向，获取结果可用于气象测量、污染源扩散等实际用途；本发明所述方案工艺简单，传感器技术成熟，成本低，总体实现方案简单，且较一些超声波、多普勒风向仪更经济、方便。

本发明的水平翼内部封装单轴倾角传感器，起保护作用；此传感器设计扁平以减少空间占用，水平翼外部包装材料做到防日晒雨淋。单轴倾角传感器是有一定的厚度的，故封装的外壳设计成尖峰状的四面锥体，以减小对风的阻力。

本发明中，水平翼上下锥面向尾部延伸出两片尾翼，可增加风的作用力；因为竖向角探测器是一种关于传感器轴形状不对称的物体，根据空气动力学和流体力学原理，重心点固定于水平轴上，当风吹过时，风的来向和竖向角探测器成某一交角，风对尾翼产生压力，由于传感器头部的面积小，尾翼受到风的作用力面积通常比较大，因此感受的风压也不相等，水平于尾翼的风压产生风压力矩，使竖向角探测器绕水平轴旋转，直至竖向角探测器的尖锐头部正好对风的来向时，由于翼板两边受力平衡，风向标就稳定在某一方位；从而能以较高的集成度和小体积来实现垂直向的风向探测。

本产品中，所述水平翼的尖端处固定有棒状的配重体；该设计使得水平翼的迎风面能尽可能地设于转轴架的同一侧，扩大风力对水平翼的作用，提升探测灵敏度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图；

附图2是本发明的水平翼的局部放大示意图；

图中：1-固定架；2-连接杆；3-转轴架；4-竖向翼；5-配重体；6-水平翼的受风面；7-导电滑环；8-水平翼；9-卡块；10-垂直向倾角传感器的测量轴；11-支撑轴；12-水平角探测器；13-竖向角探测器。

具体实施方式

如图1-2所示，一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，所述测量方法使用三维风向探测器对风向进行探测；所述三维风向探测器包括数据处理器、固定架1、水平角探测器12和竖向角探测器13；所述水平角探测器包括竖向翼4、水平向转角传感器；所述竖向翼4以连接杆2铰接于固定架1处，所述水平向转角传感器设于固定架1处并对连接杆2水平向转角进行测量；所述竖向角探测器包括水平翼8、垂直向倾角传感器和转轴架3；竖向角探测器13以转轴架3固定于竖向翼4上方或上方旁侧处；所述垂直向倾角传感器设于水平翼内并对水平翼的垂直向倾角进行检测；所述转轴架铰接于水平翼的重心处以使水平翼在转轴架两侧的重量平衡；当测量方向时，水平向转角传感器、垂直向倾角传感器把测得的数据送至数据处理器进行处理。

所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理后生成风向的三维矢量数据。

所述水平翼为一锥尖朝向侧面的扁形的四面锥，转轴架铰接于四面锥的前后锥面处，四面锥的上下锥面为受风面6。

所述受风面6朝侧向延伸以扩大迎风面积。

所述垂直向倾角传感器固定于PCB板上，所述PCB板内嵌于竖向角探测器水平翼壳体内，转轴架以支撑轴铰接于水平翼的前后端面处；所述支撑轴与水平翼的铰接点处设有导电滑环7，所述导电滑环与PCB板相连以向水平翼内的元器件供电并导出测量数据；所述垂直向倾角传感器为单轴倾角传感器，垂直向倾角传感器的测量轴10方向与支撑轴11方向、导电滑环7位于同一直线上，垂直向倾角传感器的测量轴与水平翼壳体相接。

水平翼壳体的垂直向倾斜角度与垂直向倾角传感器传感器同步，当无风时，所述水平翼壳体保持水平。

所述垂直向倾角传感器的测量轴与导电滑环之间设有卡块9，所述卡块9对垂直向倾角传感器的旋转进行限位，使垂直向倾角传感器的旋转范围在180度以下。

所述水平翼8的尖端处固定有棒状的配重体5。

所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理时，按以下步骤进行；

A1、从水平向转角传感器获取水平向的风向角度数据，按以正北方向为零度参照，把此数据矢量化得到水平风向HDir（x,y,0）；

A2、从垂直向倾角传感器获取以垂直方向角度为参照的风向角度，并把此数据矢量化得垂直风向VDir(0,0,y)；

A3、把水平风向HDir（x,y,0）与垂直风向VDir(0,0,y)相加，得到风向的三维矢量WindDir(x,y,z)。

实施例1：

当无风时，水平角探测器12的竖向翼不受力，水平角探测器不动，此时竖向角探测器13在自身结构重力或垂直向倾角传感器内部工作力的作用下，竖向角探测器13的水平翼恢复为水平位。

竖向角探测器与水平角探测器的位置相互错开，使风力在吹向竖向翼、水平翼时，竖向翼、水平翼与风力之间的作用力不会相互影响。

实施例2：

当有风时，水平角探测器12的竖向翼受风力使水平角探测器绕固定架转动至水平向的风力平衡角，竖向角探测器的水平翼受力，使竖向角探测器绕转轴架的支撑轴旋转至竖向的风力平衡角。

此时，水平向转角传感器、垂直向倾角传感器所测得的角数据基本稳定，所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理后生成风向的三维矢量数据。

由于竖向翼与水平翼的距离很近，因此水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据可近似认为是同一点处的风向角数据。

Claims (9)

1.一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：所述测量方法使用三维风向探测器对风向进行探测；所述三维风向探测器包括数据处理器、固定架、水平角探测器和竖向角探测器；所述水平角探测器包括竖向翼、水平向转角传感器；所述竖向翼以连接杆铰接于固定架处，所述水平向转角传感器设于固定架处并对连接杆水平向转角进行测量；所述竖向角探测器包括水平翼、垂直向倾角传感器和转轴架；竖向角探测器以转轴架固定于竖向翼上方或上方旁侧处；所述垂直向倾角传感器设于水平翼内并对水平翼的垂直向倾角进行检测；所述转轴架铰接于水平翼的重心处以使水平翼在转轴架两侧的重量平衡；当测量方向时，水平向转角传感器、垂直向倾角传感器把测得的数据送至数据处理器进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理后生成风向的三维矢量数据。

3.根据权利要求1所述的一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：所述水平翼为一锥尖朝向侧面的扁形的四面锥，转轴架铰接于四面锥的前后锥面处，四面锥的上下锥面为受风面。

4.根据权利要求3所述的一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：所述受风面朝侧向延伸以扩大迎风面积。

5.根据权利要求4所述的一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：所述垂直向倾角传感器固定于PCB板上，所述PCB板内嵌于竖向角探测器水平翼壳体内，转轴架以支撑轴铰接于水平翼的前后端面处；所述支撑轴与水平翼的铰接点处设有导电滑环，所述导电滑环与PCB板相连以向水平翼内的元器件供电并导出测量数据；所述垂直向倾角传感器为单轴倾角传感器，垂直向倾角传感器的测量轴方向与支撑轴方向、导电滑环位于同一直线上，垂直向倾角传感器的测量轴与水平翼壳体相接。

6.根据权利要求5所述的一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：水平翼壳体的垂直向倾斜角度与垂直向倾角传感器传感器同步，当无风时，所述水平翼壳体保持水平。

7.根据权利要求5所述的一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：所述垂直向倾角传感器的测量轴与导电滑环之间设有卡块，所述卡块对垂直向倾角传感器的旋转进行限位，使垂直向倾角传感器的旋转范围在180度以下。

8.根据权利要求3所述的一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：所述水平翼的尖端处固定有棒状的配重体。

9.根据权利要求1所述的一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，其特征在于：所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理时，按以下步骤进行；

A1、从水平向转角传感器获取水平向的风向角度数据，按以正北方向为零度参照，把此数据矢量化得到水平风向HDir（x,y,0）；

A2、从垂直向倾角传感器获取以垂直方向角度为参照的风向角度，并把此数据矢量化得垂直风向VDir(0,0,y)；

A3、把水平风向HDir（x,y,0）与垂直风向VDir(0,0,y)相加，得到风向的三维矢量WindDir(x,y,z)。