CN108931663A - 传感器及利用该传感器测量风速风向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种传感器及利用该传感器测量风速风向的方法。该传感器包括：传感器本体，设于所述传感器本体上的第一风洞、与所述第一风洞呈正交设置的第二风洞，设于所述第一风洞内测量第一风向和与所述第一风向相反的第三风向的第一风敏器件，以及设于所述第二风洞内测量第二风向和与所述第二风向相反的第四风向的第二风敏器件，其中所述第一风洞的洞口直径自所述第一风敏器件所在位置向所述第一风洞的两端逐渐增大，所述第二风洞的洞口直径自所述第二风敏器件所在位置向所述第二风洞的两端逐渐增大。本发明的传感器及利用该传感器测量风速风向的方法具有结构简单，体积小以及测量准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种传感器及利用该传感器测量 风速风向的方法。
背景技术
风速传感器是可连续监测风速大小，并能够对所处位置的风速进行实时 显示的重要器件。该传感器广泛应用在矿山、电力、烟草、医药等需要实时 监测风速的领域。风速传感器的类型与性能直接影响系统风量的检测和控制 质量。风速传感器品种繁多，最常用的是皮托管式风速传感器、超声波涡旋 式风速传感器、螺旋桨风速传感器和热线、热膜式风速传感器等。
现有技术中的风杯和风向标结构采用风向标感应环境的风向，体积较大， 一般在数十厘米以上，设有机械转动结构，携带不方便，风向标容易损坏， 而且精度越用越差。最近的新出现的热敏式风速风向传感器和超声波风速风 向传感器以及光电风向风速传感器等，虽然体积变小，但是结构复杂，造价 成本高，稳定性不强，容易受到环境干扰。
有鉴于此，有必要提供一种新的传感器，并提供利用该传感器测量风速 风向的方法以解决现有技术中存在的上述技术问题。
发明内容
本发明正是基于以上一个或多个问题，提供一种传感器及利用该传感器 测量风速风向的方法，用以解决现有技术中的传感器存在结构复杂、体积大、 产品成本高昂等技术问题。
本发明提供的传感器，包括：传感器本体，设于所述传感器本体上的第 一风洞、与所述第一风洞呈正交设置的第二风洞，设于所述第一风洞内测量 第一风向和与所述第一风向相反的第三风向的第一风敏器件，以及设于所述 第二风洞内测量第二风向和与所述第二风向相反的第四风向的第二风敏器 件，其中所述第一风洞的洞口直径自所述第一风敏器件所在位置向所述第一 风洞的两端逐渐增大，所述第二风洞的洞口直径自所述第二风敏器件所在位 置向所述第二风洞的两端逐渐增大。
优选地，所述第一风敏器件为压电薄膜传感器，所述第二风敏器件为压 电薄膜传感器。
优选地，所述第一风敏器件与所述第二风敏器件分别镶嵌安装在对应的 所述第一风洞和所述第二风洞。
优选地，所述传感器还包括：处理电路板，所述处理电路板置于所述传 感器本体内，位于所述第一风洞一侧或者所述第二风洞一侧。
优选地，所述传感器进一步包括：信号输出接口，输出所述传感器测量 风向、风速的数据。
优选地，所述信号输出接口输出的信号包括以下至少一种：ttl电平信 号、spi信号和PWM信号。
本发明还提供一种利用传感器测量风速风向的方法，所述传感器至少包 括：传感器本体，设于所述传感器本体上的第一风洞、与所述第一风洞呈正 交设置的第二风洞，设于所述第一风洞内测量第一风向和与所述第一风向相 反的第三风向的第一风敏器件，以及设于所述第二风洞内测量第二风向和与 所述第二风向相反的第四风向的第二风敏器件，其中所述第一风洞的洞口直 径自所述第一风敏器件所在位置向所述第一风洞的两端逐渐增大，所述第二 风洞的洞口直径自所述第二风敏器件所在位置向所述第二风洞的两端逐渐增 大，所述方法包括以下步骤：
S10获取所述第一风敏器件测得的电动势方向和数值；
S20获取所述第二风敏器件测得的电动势方向和数值；
S30判断风向是否仅为所述第一风向、第二风向、第三风向或者第四风 向之一；
S40若是，则直接取所述第一风敏器件的数值或所述第二风敏器件的数 值，计算第一风速；
S50若否，则比较所述第一风敏器件测得的数值与所述第二风敏器件测 得的数值，计算当前风向和第二风速；
S60对所述第一风速或所述第二风速校正后输出。
优选地，所述方法在步骤S20与S30之间还包括：S70对所述第一风敏 器件测得的数值和所述第二风敏器件测得的数值进行放大。
本发明提供一种利用传感器测量风速风向的方法，所述传感器为前述的 传感器，所述方法包括以下步骤：
S10获取所述第一风敏器件测得的电动势方向和数值；
S20获取所述第二风敏器件测得的电动势方向和数值；
S30判断风向是否仅为所述第一风向、第二风向、第三风向或者第四风 向之一；
S40若是，则直接取所述第一风敏器件的数值或所述第二风敏器件的数 值，计算第一风速；
S50若否，则比较所述第一风敏器件测得的数值与所述第二风敏器件测 得的数值，计算当前风向和第二风速；
S60对所述第一风速或所述第二风速校正后输出。
优选地，所述方法在步骤S20与S30之间还包括：S70对所述第一风敏 器件测得的数值和所述第二风敏器件测得的数值进行放大。
优选地，步骤S50具体包括：
S51滤除噪声，在预定时间内重复读取数值；
S52依据读取数值的次数及各次的矢量值，获取矢量平均值，然后从所 述矢量平均值中从分离出可投影到所述第一风向、第二风向、第三风向、第 四风向构成的正交坐标轴上的第一矢量值和第二矢量值；
S53依据所述第一矢量值的方向和所述第二矢量值的方向判断出当前风 向；
S54依据所述第一矢量值的大小和所述第二矢量值的大小，通过比例运 算，获得所述第一矢量值与所述第二矢量值的比值，然后依据所述比值进行 度数转换得出当前风向的风向角度值；
S55依据所述比值，获取作为所述第二风速的风速数据值。
优选地，步骤S60包括：
S61对所述风速数据值进行校正；
S62将校正后的所述风速数据值进行编码；
S63输出所述风速数据值。
本发明的传感器及利用该传感器测量风速风向的方法，不仅传感器的结 构简单、体积小巧、成本低廉，便于安装，不易损坏，没有复杂的制造工艺 和调试环节，无需机械转动结构，不存在机械磨损误差，使用寿命长；而且 传感器的灵敏度高，能正交测量风向，不受环境变化影响，能实时准确获得 风速风向数据，可测量范围大。
附图说明
图1是本发明实施方式一的传感器的结构示意图。
图2是图1的传感器的C-C截面结构示意图。
图3是图2的传感器的E-E截面结构示意图。
图4是本发明传感器的电路结构示意图。
图5是本发明的传感器处于工作状态时的示意图。
图6是本发明实施方式二的利用传感器测量风速风向的方法流程示意图。
图7是图4中步骤S50的详细流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不 冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的 保护范围之内。
实施方式一
请参见图1至图5，本发明提供的传感器，应用于气象测量、家庭气象站、 气象站、矿产、智能家居、户外作业、农业生产、工业检测、石油化工以及 电力电子等领域。该传感器包括：传感器本体100，设于所述传感器本体上的 第一风洞110、与所述第一风洞110呈正交设置的第二风洞120，设于所述第 一风洞110内测量第一风向110和与所述第一风向110相反的第三风向的第一 风敏器件111，以及设于所述第二风洞内测量第二风向和与所述第二风向相反 的第四风向的第二风敏器件121，其中所述第一风洞110的洞口直径自所述第 一风敏器件111所在位置向所述第一风洞111的两端逐渐增大，所述第二风洞 120的洞口直径自所述第二风敏器件121所在位置向所述第二风洞120的两端 逐渐增大。较佳地，传感器本体100由铝合金或者ABS工程塑料制成，压铸 注塑成本低廉，加工工艺要求低，传感器本体内设有线路通道和电路容置腔 体，分别用来走线和容置电路。
本发明的传感器，不仅传感器的结构简单、体积小巧、成本低廉，便于 安装，不易损坏，没有复杂的制造工艺和调试环节，无需机械转动结构，不 存在机械磨损误差，使用寿命长；而且传感器的灵敏度高，能正交测量风向， 不受环境变化影响，能实时准确获得风速风向数据，可测量范围大。
进一步地，第一风洞110还包括：第一双曲线内腔壁112、第一风口113、 第二风口114以及第一集风口115。该第一双曲线内腔壁112的一侧呈锥形， 另一侧也呈锥形。第一风口113与第二风口114形成对流通孔，气体从第一 风口113进入，第二风口114出，或者第二风口进，第一风口113出。气流从 第一风口113往第二风口114方向移动时，洞口直径呈线性变窄，到第一风 口113与第二风口114中间位置时，洞口直径变为最小。之后洞口直径又线性增大。而位于第一风洞110下侧的第二风洞120内设有第二风敏器件121， 第二风洞120包括：第二集风口125、第二双曲线内腔壁122、第三风口123、 第四风口124，第二双曲线内腔壁122与第一双曲线内腔壁112结构相似。第 一风敏器件111至所述传感器本体的顶部凸出，所述第二风敏器件121自所 述传感器本体的底部凸出，这样是第一风敏器件111和第二风敏器件121安 装，同时若第一风敏器件111和第二风敏器件121之一有损害，也可进行更换，而不会耗费整个传感器。优选地，所述第一风敏器件与所述第二风敏器 件分别镶嵌安装在对应的所述第一风洞和所述第二风洞。所述第一风敏器件 与所述第二风敏器件采用镶嵌式安装，防水密封，电路在传感器本体内部， 密封处理，而且第一风洞110与第二风洞分别采用双曲线形(优选双锥形) 内腔壁，水会从第一风口、第二风口、第三风口以及第四风口之一自然流出， 所以不会积水，不会冰冻，起到了防冻防水的作用。
本发明的传感器与常见的超声波传感器、热敏传感器或者光电传感器的 测量相近，但与这些相比，优点更明显，主要体现在成本低、测量精度高、 测量范围广、抗干扰能力强、不受气候、温度、震动的影响。
优选地，所述第一风敏器件111为压电薄膜传感器，所述第二风敏器件 121为压电薄膜传感器。采用压电薄膜传感器测量，具有安装方便，读数方便、 测量精确、量程大的特点。采用压电薄膜传感器(PVDF)作为风敏器件，PVDF 作为一种动态应变传感器，当受力时薄膜上下电极表面之间就会产生一个电 信号(电荷或电压)，并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对 压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产 生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜传感器对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典 型值为10～15mV/微应变(长度的百万分率变化)。薄膜感受到应力的变化量， 最低响应频率可达0.1Hz。因此能探测到非常微小的物理信号又能感受到大幅 度的震动。压电薄膜传感器可以长期高灵敏度测量大范围的风力变化，配合 正交的双锥形第一风洞和第二风洞，通过MCU(微处理器)运算，可以精确 测量出风向。这里可以例举出一个测量风速风向的处理器电路板101的结构， 优选地，所述处理电路板101置于所述传感器本体内，位于所述第一风洞一 侧或者所述第二风洞一侧。
在一个具体实施例中，该处理器电路板101设于所述第一风洞下侧且位 于所述第二风洞一侧，用于处理第一风敏器件与第二风敏器件产生的数据。 如图3所示，本发明的一个实施例中，该传感器的电路包括：第一风敏器件 111和第二风敏器件121，所述第一风敏器件111与所述第二风敏器件121产 生的感测数据经ADC转换放大器进行模数转换后放大预设倍数。然后在第一 辅助电路104下保证电路起振以及信号稳定传输至微处理器(MCU)105，微 处理器105对数据信号进行处理后输出至第二辅助电路106，在第二辅助电路 106下保证信号稳定地经信号输出接口107输出。信号输出接口107，输出所 述传感器测量风向、风速的数据。
优选地，信号输出接口是一个标准的6针2.5mm排针，用于输出信号。 所述信号输出接口输出的信号包括以下至少一种：ttl电平信号、spi信号和 PWM信号。
在一个具体实施例中，该传感器的电路还包括：电子定位器，电子定位 器，用于定位指示出所述第一风洞和第二风洞是否分别对应第一风向、第三 风向、第二风向以及第四风向设置。如所述电子定位器用于定位出东、南、 西、北方向，以便于安装传感器时，第一风洞的第一风口、第二风口和第二 风洞的第三风口以及第四风口能对准方位，如第一风口对着正东方，第二风 口对着正西方，第三风口对着正南方，第四风口对应正北方。这样既可减少 每次测风速放置仪器时的人工对位的麻烦，还可自动根据形体方位状态，结 合算法修正，可获得准确的风向。优选地，上述电子定位器为电子罗盘。
在一个具体实施例中，当传感器呈正向安装在室外后，让第一风洞(上 风洞)有标记的第一风口对准正北方，当风从正北方吹入上风洞(下风洞相 同，方向不同)，风力经过上风洞锥形管，从第二风口吹出，风在锥形管内， 通过狭管效应加速，带动上风洞风敏器件向一边弯曲，让风敏器件发生形变， 产生应力，分别输出正向或反向电势信号，应力作用在风敏原器件上产生一 个正向的电动势，电动势通过ADC电路放大，输入MCU，MCU读取电动势强度和方向，通过算法换算成标准的风力风向数据通过输出接口，输出给上 位机或显示装置。因为第一风洞是双锥形设计，开口大，所以东西南北360 度只要有一点微风，通过狭管效应后都可以别第一风敏器件和/或第二风敏器 件捕捉到。
当风是正方向，即正南、正北、正西、正东、吹入时，从一个方向吹入 双锥形上风洞(第一风洞)，或双锥形下风洞(第二风洞)的一个洞口，因为上 风洞、下风洞是贯穿设计，同一时刻只有一个方向的的形变，所以当上、下 风洞中，某一风敏器件的数值很大，另一风敏器件数值很小时，可以根据风 敏器件的电动势方向，MCU根据风向算法判定风向，东风，西风，南风，北 风。
当风是偏方向时，例如东南方向吹入，那么上风洞和下风洞的风敏器件 分别获得形变的电动势和方向，MCU根据风向算法，算出方向。
如图5所示，本发明的传感器在工作时，风(气流)从一侧如北方(N) 吹向另一侧如南方，在风进入风口时，随着洞口直径的减小，风速吹向风敏 器件(第一风敏器件或第二风敏器件)的力度也较大，风敏器件的自由端发 生移动，产生形变。之后从另一侧风口流出。
本发明传感器的结构材质可以多种多样，风洞形状也可以多种多样，安 装方式也有很多，既可以作为其它的设备的配件，也可以单独使用。单独使 用是可以在本传感器的基础上增加控制电路和显示器，将测量的风速风向值 显示出来。
实施方式二
请参见图6和图7，本发明还提供一种利用实施方式一的传感器测量风速 风向的方法，所述传感器至少包括：传感器本体，设于所述传感器本体上的 第一风洞、与所述第一风洞呈正交设置的第二风洞，设于所述第一风洞内测 量第一风向和与所述第一风向相反的第三风向的第一风敏器件，以及设于所 述第二风洞内测量第二风向和与所述第二风向相反的第四风向的第二风敏器 件，其中所述第一风洞的洞口直径自所述第一风敏器件所在位置向所述第一 风洞的两端逐渐增大，所述第二风洞的洞口直径自所述第二风敏器件所在位 置向所述第二风洞的两端逐渐增大，所述方法包括以下步骤：
S10获取所述第一风敏器件测得的电动势方向和数值；当风从第一风口 113往第二风口114方向移动时，第一风敏器件发生形变，产生应力，输出正 向电势信号；当风从第二风口114往第一风口113方向移动时，第一风敏器 件也发生形变，产生应力，输出负向电势信号。当然也可以反过来。
S20获取所述第二风敏器件测得的电动势方向和数值；当风从双锥形风 洞的两边吹入，风敏器件发生形变，产生应力，分别输出正向或反向电势信 号。这里的正向或反向电势信号与前面第一风敏器件的相类似。依据风从哪 个风口如来设置正向或反向。
S30判断风向是否仅为所述第一风向、第二风向、第三风向或者第四风 向之一；这里的第一风向、第二风向、第三风向与第四风向一次为正东风、 正南风、正西风、正北风。当然也可以是其它划分方式。
S40若是，则直接获取所述第一风敏器件的数值或所述第二风敏器件的 数值，计算第一风速；
S50若否，则比较所述第一风敏器件测得的数值与所述第二风敏器件测 得的数值，计算当前风向和第二风速；
S60对所述第一风速或所述第二风速校正后输出。
本发明的利用传感器测量风速风向的方法，其传感器的灵敏度高，能实 时准确获得风速风向数据。
优选地，所述方法在步骤S20与S30之间还包括：S70对所述第一风敏 器件测得的数值和所述第二风敏器件测得的数值进行放大。
优选地，步骤S50具体包括：
S51滤除噪声，在预定时间内重复读取数值；这里的预定时间可以是1 秒，2秒，5秒，10秒等，依据需要来定。
S52依据读取数值的次数及各次的矢量值，获取矢量平均值，然后从所 述矢量平均值中分离出可投影到所述第一风向、第二风向、第三风向、第四 风向构成的正交坐标轴上的第一矢量值和第二矢量值；这里的矢量值为带方 向的数值。
S53依据所述第一矢量值的方向和所述第二矢量值的方向判断出当前风 向；
S54依据所述第一矢量值的大小和所述第二矢量值的大小，通过比例运 算，获得所述第一矢量值与所述第二矢量值的比值，然后依据所述比值进行 度数转换得出当前风向的风向角度值；
S55依据所述比值，获取作为所述第二风速的风速数据值。
通过上述步骤，使得本发明的传感器可以更精确地获得当前不是在正东、 正南、正西、正北风向上的风的准确风向，通过获得精准的数据，为后面基 于风向风速数据的应用能获得真实数据源。
优选地，步骤S60包括：
S61对所述风速数据值进行校正；
S62将校正后的所述风速数据值进行编码；
S63输出所述风速数据值。通过此步骤，可以获得更准确的风速数据值。
以上对本发明所提供的一种传感器及利用该传感器测量风速风向的方 法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进 行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想； 同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及 应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容仅为本发明的实施方 式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所 作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括：传感器本体，设于所述传感器本体上的第一风洞、与所述第一风洞呈正交设置的第二风洞，设于所述第一风洞内测量第一风向和与所述第一风向相反的第三风向的第一风敏器件，以及设于所述第二风洞内测量第二风向和与所述第二风向相反的第四风向的第二风敏器件，其中所述第一风洞的洞口直径自所述第一风敏器件所在位置向所述第一风洞的两端逐渐增大，所述第二风洞的洞口直径自所述第二风敏器件所在位置向所述第二风洞的两端逐渐增大。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一风敏器件为压电薄膜传感器，所述第二风敏器件为压电薄膜传感器。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一风敏器件与所述第二风敏器件分别镶嵌安装在对应的所述第一风洞和所述第二风洞。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：处理电路板，所述处理电路板置于所述传感器本体内，位于所述第一风洞一侧或者所述第二风洞一侧。
5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括：信号输出接口，输出所述传感器测量风向、风速的数据。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述信号输出接口输出的信号包括以下至少一种：ttl电平信号、spi信号和PWM信号。
7.一种利用传感器测量风速风向的方法，其特征在于，所述传感器为权利要求1至6任一项所述的传感器，所述方法包括以下步骤：
S10获取所述第一风敏器件测得的电动势方向和数值；
S20获取所述第二风敏器件测得的电动势方向和数值；
S30判断风向是否仅为所述第一风向、第二风向、第三风向或者第四风向之一；
S40若是，则直接取所述第一风敏器件的数值或所述第二风敏器件的数值，计算第一风速；
S50若否，则比较所述第一风敏器件测得的数值与所述第二风敏器件测得的数值，计算当前风向和第二风速；
S60对所述第一风速或所述第二风速校正后输出。
8.如权利要求7所述的利用传感器测量风速风向的方法，其特征在于，所述方法在步骤S20与S30之间还包括：S70对所述第一风敏器件测得的数值和所述第二风敏器件测得的数值进行放大。
9.如权利要求8所述的利用传感器测量风速风向的方法，其特征在于，步骤S50具体包括：
S51滤除噪声，在预定时间内重复读取数值；
S52依据读取数值的次数及各次的矢量值，获取矢量平均值，然后从所述矢量平均值中从分离出可投影到所述第一风向、第二风向、第三风向、第四风向构成的正交坐标轴上的第一矢量值和第二矢量值；
S53依据所述第一矢量值的方向和所述第二矢量值的方向判断出当前风向；
S54依据所述第一矢量值的大小和所述第二矢量值的大小，通过比例运算，获得所述第一矢量值与所述第二矢量值的比值，然后依据所述比值进行度数转换得出当前风向的风向角度值；
S55依据所述比值，获取作为所述第二风速的风速数据值。
10.如权利要求9所述的利用传感器测量风速风向的方法，其特征在于，步骤S60包括：
S61对所述风速数据值进行校正；
S62将校正后的所述风速数据值进行编码；
S63输出所述风速数据值。
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