CN109696561B - 一种复合量程风速测量装置及方法 - Google Patents

一种复合量程风速测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合量程风速测量装置及方法，装置包括：第一弹性体、上球、第二弹性体、下球、顶盖、底盖、弹性体固定螺栓和上下盖支架；方法包括如下步骤：当微弱风速下，下球会先摆动起来，双轴倾角传感器测量出下球倾斜的角度，根据倾角的不同，计算出当时风速的大小和风向；当风速较大时，上球摆动起来，此时测量的风速量程相对较大，保障了较大风速的测量精度；下球内部有发光源，通过下球底部的小孔向正下方照射，当下球静止时，射出来正好通过盖板的小孔照射到感光器件，用来校正第一弹性体和第二弹性体的零位。本发明能够解决在微弱风速的时候测量精度不高的难题，既能够测量小于0.1mm/s的风速，也能够测量30m/s以上的风速，保证测量的准确性。

Description

一种复合量程风速测量装置及方法
技术领域
本发明涉及农业气候技术领域，尤其是一种复合量程风速测量装置及方法。
背景技术
在农业生产中，风速对调节农田气候的和作物生产起着重要的作用，适宜风速能帮助异花作物授粉、增加结实率、改善农田小气候环境等，风速过大则会造成作物脱粒、机械损伤、倒伏、落花落果等。利用风对农业的有益效果，通过对风速进行测量，实现精准化农业。
目前的风速测量装置主要有热线式风速计、超声波风速计、叶轮式风速计、皮托管式风速计等几种。热线式风速计使用的是一段对温度敏感的电阻丝，在测量的过程中对电阻丝加热，不同的风速下，电阻丝降低的温度不同，所以电阻丝的阻值会不同，根据电阻值的不同，就可以知道风速的大小。超声波式风速计是在一定的距离上发射超声波，在风速不同的情况下，超声波从发射端到接收端的时间会不同，根据在一定距离的传递时间的不同，可以计算出风速的大小。叶轮式风速计依靠杯状或者翼状迎风面带动旋转编码器转动，根据旋转编码器的不同输出计算出风速的大小。皮托管式风速计一般用于测量管道风速，在垂直于管道的轴向方向上开小孔，小孔内部藏有细管，根据细管端口压力的不同可以计算出风速的大小。以上的测量风速的方法都有一个不足，在微弱风速的时候，测量精度不够。因此，适用于农业生产的复合量程风速测量装置及方法具有较好的发展和推广空间，更符合现代精准农业的发展趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种复合量程风速测量装置及方法，能够解决在微弱风速的时候测量精度不高的难题，既能够测量小于0.1mm/s的风速，也能够测量30m/s以上的风速，而且都能够保证测量的准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种复合量程风速测量装置，包括：第一弹性体1、上球2、第二弹性体3、下球4、顶盖7、底盖8、弹性体固定螺栓11和上下盖支架16；上球2通过第一弹性体1和弹性体固定螺栓11固定在顶盖7上，下球4通过第二弹性体3与上球2相连，顶盖7和底盖8通过上下盖支架16相连。
优选的，第二弹性体3的弹性系数是第一弹性体1的1/10。下球更容易被风吹动，即有更高的灵敏度；改变第二弹性体的弹性系数，可以成比例缩小测量下限，几乎没有极限，不用增加测量放大器(针对热线和超声波)灵敏度或者机械启动的灵敏度(针对转轮式)。为了连接测量信号线，第一弹性体1和第二弹性体3是空心的。
优选的，上球2与下球4里分别放置一套双轴倾角传感器，双轴倾角传感器的信号通过信号线穿过第一弹性体1和第二弹性体3的中间中孔，再穿过弹性体固定螺栓11，紧贴顶盖7，测量信号线沿顶部分12、测量信号线沿框部分13和测量信号线14通过测量信号引线穿孔15引到带零位校正孔的盖板5和底盖8组成的封闭空间内，控制电路集中在此的空间内。
优选的，双轴倾角传感器U2和U3选用SCA100-D1，单片机U1选用12C5608，单片机U1的P17管脚连接双轴倾角传感器U2的CS管脚，单片机U1的P16管脚连接双轴倾角传感器U2的SCK管脚，单片机U1的P15管脚连接双轴倾角传感器U2的SO管脚，单片机U1的P14管脚连接双轴倾角传感器U2的SI管脚，单片机U1的P11管脚连接双轴倾角传感器U3的CS管脚，单片机U1的P10管脚连接双轴倾角传感器U3的SCK管脚，单片机U1的7/WR管脚连接双轴倾角传感器U3的SO管脚，单片机U1的P12管脚连接双轴倾角传感器U3的SI管脚；单片机U1的P13连接有指示灯L1，单片机U1的2/INT1连接有指示灯L2，这两个指示灯作为内部状态指示用；单片机U1的0/RXD管脚连接编程插座的1，单片机U1的1/TXD管脚连接编程插座的接口2，编程完成后，该插座作为通讯接口向外传送测量结果的数据；单片机U1的X2和X1管脚连接有晶体振荡器X1，单片机U1的4/T0管脚连接有发光信号灯L3，单片机U1的5/T1连接有感光信号接收电路，单片机U1的RST管脚连复位电路，单片机U1的20和10管脚分别连接电源的5V和地。
优选的，在底盖8正对下球4的地方安装感光器件，用带零位校正孔的盖板5盖住，下球4的下方设置有尾管9，里面有红外LED发光源和透镜，向下方发出聚焦的光点，控制电路位于带零位校正孔的盖板5和底盖8组成的空间内，红外光接收管P1的位置正对带零位校正孔的盖板5的零位校正孔。当静止时，光点射入带零位校正孔的盖板5的零位校正孔，其图2的红外光接收管P1检测到LED红外光信号信号，电路输出信号，以此时的输出作为静止风的标定，以避免倾角传感器对于零点的飘移；由于倾角传感器响应速度可以小于1/20秒，这个校正不是在下球4摆动时划过中间位置的动作过程中即可完成，不必等待下球4的完全静止。当下球4静止时，射出来光正好通过盖板孔照射到感光器件，以此确定零风速，用来校正两个弹性体的零位。
优选的，底盖8上通过限位环固定脚10固定有限位固定环6。把下球4的尾管活动范围限定在限位固定环6内部，可以防止风速过大时下球4摆动太大，由于第二弹性,3的弹性系数小，下球4被限位时，并不影响上球2被较大额定风吹动倾斜。
优选的，底盖8上还设置有指北安装方位标识17。
相应的，一种复合量程风速测量方法，包括如下步骤：
(1)下球4的尾管9内部有红外LED发光源和透镜，点亮安装在尾管9内的红外LED发光源，进行零位校正，当下球4处于静止时或刚好经过零位时，尾管9底部的发射出来的光正好通过带零位校正孔的盖板5的零位校正孔照射到感光器件P1，以此确定零风速，用来校正第一弹性体1和第二弹性体3的零位；若感光器件P1收到光就进行一次校正，校正的过程就是立即采集上球2和下球4倾角数据，并分别记录到上球2和下球4的零位修正数据表中。校正是在感光器件P1收到光后立即进行的，校正后进入下面的步骤(2)，若暂时没有收到校正光，则跳过校正进入步骤(2)，等待下个循环校正。由于零点飘移是一个缓慢过程，每个循环时间又很短，本次循环没有校正则使用上次校正的数据。
(2)采集上球2和下球4的倾角数据，先把下球4的数据减去零位数据，校正后的数据和预先设定的弱风临界值进行比较，若小于等于弱风临界值，进入步骤(3)，若大于弱风临界值，进入步骤(4)；
(3)当风速小于等于弱风临界值，下球4会先摆动起来，双轴倾角传感器测量出下球4倾斜的角度，根据倾角的不同，计算出当时风速的大小，根据X、Y轴倾角的不同，计算出风向；具体为：一个侧面定义为北向，设立指北安装方位标识17，安装仪器时保证该指北安装方位标识17指向正北方；标定球体倾角与风力的关系，计算并选定弹性体和悬挂的球体，然后通过实验确定球体偏斜与风力的对应关系数据表格，根据测量到的倾角数值，查出对应的风力；
(4)当风速大于弱风临界值，上球2摆动起来，此时测量的风速量程相对较大，保障了较大风速的测量精度；其风速风向测量过程同步骤(3)。
优选的，步骤(2)中，双轴传感器SCA100T-D1具有独立的X和Y两个方向倾角的功能，安装时，把该标识指向正北方；如果是北风，则把球体吹向南方，倾角传感器输出X方向输出正值，根据表格可以查出风力的大小；如果是南风，则把球体吹向北方，倾角传感器X方向输出是负值，即可据此判断南风或北风；在南风或北风时，倾角传感器的Y方向没有输出，因为两个方向是独立的，互不影响；当有东西方向的风时，传感器沿着Y方向有输出，根据输出的正负，可以判断是东风或者西风，根据数值的大小可以查表得到风力大小；如果是任意风向，南北向和东西向都有，则传感器的X和Y方向都会有输出，根据两个方向的比例，即可确定南北和东西方向的风力比例，也就是能够确定风的任意方向，其计算关系是三角函数，首先计算合成风速，测量得到南北向风速是VY，东西向的风速是VX，则合成风速是V＝((VY)2+(VX)2)1/2；其次计算风向，假设以正北方向0°，建立顺时针旋转的坐标系，南北向风作为VY，北风使得传感器输出为正值，东西方向风为VX，东风使得传感器输出为正值，则两个传感器都有输出时，合成风向与正北的夹角为α，按顺时针分布四个象限，合成风向角分别为：第1象限(东北向)VY>0,VX>0：α＝arc cos(VY/V)，第2象限(东南向)VY<0,VX>0：α＝π-arc cos(VY/V)，第3象限(西南向)VY<0,VX<0：α＝π+arc cos(VY/V)，第4象限(西北向)VY>0,VX<0：α＝2π-arc cos(VY/V)。
本发明的有益效果为：本发明采用倾斜角度信号实现风速风向的测量，可以避免风轮式转动测量方法的机械磨损和老化带来的阻力增大以及机械故障带来的停滞不转；本发明能够解决在微弱风速的时候测量精度不高的难题，倾斜角度信号的灵敏度跟悬挂体的弹性系数相关，通过调整第一弹性体和第二弹性体的弹性系数的比例，即可调整风速测量范围，既能够测量小于0.1mm/s的风速，也能够测量30m/s以上的风速，而且都能够保证测量的准确性；本发明还包括零位自动校正功能，在使用的过程中能够实现零风速自校正，避免长时间使用后风速测量精度降低。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明的电气原理示意图。
图3为本发明的方法流程示意图。
其中，1、第一弹性体；2、上球；3、第二弹性体；4、下球；5、带零位校正孔的盖板；6、限位固定环；7、顶盖；8、底盖；9、尾管；10、限位环固定脚；11、弹性体固定螺栓；12、测量信号引线顶部分；13、测量信号线沿框部分；14、测量信号线；15、测量信号线引线穿孔；16、上下盖支架；17、指北安装方位标识。
具体实施方式
如图1所示，一种复合量程风速测量装置，包括：第一弹性体1、上球2、第二弹性体3、下球4、带零位校正孔的盖板5、限位固定环6、尾管9、限位环固定脚10、顶盖7、底盖8、弹性体固定螺栓11、测量信号引线顶部分12、测量信号线沿框部分13、测量信号线14、测量信号线引线穿孔15、上下盖支架16和指北安装方位标识17。上球2通过第一弹性体1和弹性体固定螺栓11固定在顶盖7上，下球4通过第二弹性体3与上球2相连，顶盖7和底盖8通过上下盖支架16相连。尾管9里面有红外LED发光源和透镜，向下方发出聚焦的光点，带零位校正孔的盖板5的零位校正孔覆盖有红外滤光膜。上球2与下球4里分别放置一套双轴倾角传感器，传感器的信号通过信号线穿过第一弹性体1和第二弹性体3的中间中孔，再穿过弹性体固定螺栓11，紧贴顶盖7，测量信号线沿顶部分12和测量信号线沿框部分13和测量信号线14通过测量信号引线穿孔15引到带零位校正孔的盖板5和底盖8组成的封闭空间内，控制电路集中在此的空间内。
上球和下球用弹性体(可以是直线弹簧)悬吊固定在机械支撑梁架的上顶盖上，静止时垂直下垂。当有风吹过时，两个小球会被吹得偏离静止状态，偏离的多少跟风速和弹性体的弹性系数有确定的关系。为了能够测量微弱风力，悬吊下球的第二弹性体弹性系数是第一弹性体的1/10，因此，下球更容易被风吹动，即有更高的灵敏度。改变第二弹性体的弹性系数，可以成比例缩小测量下限，几乎没有极限，不用增加测量放大器(针对热线和超声波)灵敏度或者机械启动的灵敏度(针对转轮式)，减小第二弹性体的弹性系数后，其它各个环节都不用增加灵敏度，而减小弹性系数是显然可控的，极限是用细线悬挂，可以在极其微弱风力下吹动悬挂球体，其它方法都受到放大器或机械灵敏度的限制。两个小球内部安装有X-Y双轴倾角传感器，根据小球沿着在X-Y平面内的倾斜，可以确定风的大小和风向。
风力微小时，由于上球的第一弹性体的弹性系数较大，基本上不能被吹动，而悬挂下球的第二弹性体弹性系数较小，首先被吹动，测量工作由下面球完成。当风力增大时，下球被吹到接触极限位置，不能再继续摆动，此时上面的球已经能够被吹动，以此实现微小量程到正常量程的转换。
下球下部有尾管，里面有透镜和红外LED发光管，可以向正下方发出聚焦的光点，当静止时，光点射入下底的小孔，其内部的光电探测有信号输出，以此时的输出作为静止风的标定，以避免倾角传感器对于零点的飘移。由于倾角传感器响应速度可以小于1/20秒，这个校正不是在下球摆动时划过中间位置的动作过程中即可完成，不必等待下球的完全静止。当下面的小球静止时，射出来光正好通过盖板孔照射到感光器件，以此确定零风速，用来校正两根弹性体的零位。
底板上固定有限位固定环，把下球的尾管活动范围限定在圆环内部，可以防止风速过大时下球摆动太大。由于第二弹性体弹性系数小，下球被限位时，并不影响上球被较大额定风吹动倾斜。
控制和测量过程由单片机完成，倾角传感器的输出是数字信号，用单片机的I/O引脚与其连接，读出其内部的倾角数值。测量到的倾角数据，经过计算得到风速和风向，由单片机的J1接口输出和显示，可以使用LCD屏、LED屏，也可以直接把数据通过编码用串口形式输出上位计算机。
双轴倾角传感器U2和U3选用SCA100-D1，单片机U1选用12C5608，单片机U1的P17管脚连接双轴倾角传感器U2的CS管脚，单片机U1的P16管脚连接双轴倾角传感器U2的SCK管脚，单片机U1的P15管脚连接双轴倾角传感器U2的SO管脚，单片机U1的P14管脚连接双轴倾角传感器U2的SI管脚，单片机U1的P11管脚连接双轴倾角传感器U3的CS管脚，单片机U1的P10管脚连接双轴倾角传感器U3的SCK管脚，单片机U1的7/WR管脚连接双轴倾角传感器U3的SO管脚，单片机U1的P12管脚连接双轴倾角传感器U3的SI管脚；单片机U1的P13连接有指示灯L1，单片机U1的2/INT1连接有指示灯L2，这两个指示灯作为内部状态指示用。单片机U1的0/RXD管脚连接编程插座的1，单片机U1的1/TXD管脚连接编程插座的接口2，编程完成后，该插座作为通讯接口向外传送测量结果的数据。单片机U1的X2和X1管脚连接有晶体振荡器X1，单片机U1的4/T0管脚连接有发光信号灯L3，单片机U1的5/T1连接有感光信号接收电路。单片机U1的RST管脚连复位电路，单片机U1的20和10管脚分别连接电源的5V和地。本电路使用STC系列1T周期的单片机，运行速度快，当下球4尾管9内的红外LED发出的红外光经过透镜聚焦射入到带零位校正孔的盖板5的零位校正孔内时，红外接收管P1收到监测信号，监测信号传给单片机U1，然后立即采样上球和下球的输出作为零位，在图中所给定的晶振频率下，采样一个倾角信号仅需要0.04毫秒，能够实时读取零位倾角。零位校正使用红外LED发光管，可以有效避开室外阳光的干扰，STC单片机提供强驱动输出，红外LED发光强度大，且尾管内设有聚光透镜，加强发光强度，有效区别室外散射光。带零位校正孔的盖板5的零位校正孔覆盖有红外滤光膜，进一步滤除日光干扰。
本发明既能够测量0.1m/s以下的微弱风速，也能够测量30m/s以上的大风速，能够方便地利用本装置选择多量程，而且从原理上都能够保证测量的准确性，这里给出的是2个量程的风速测量，实际中还可以依照本实例做出更多量程的测量装置。本发明还包括零点自动校正功能，在使用的过程中能够实现零风速自校正，避免长时间使用后精度降低，本发明同时公开了其测试方法。

Claims (8)

1.一种复合量程风速测量装置，其特征在于，包括：第一弹性体(1)、上球(2)、第二弹性体(3)、下球(4)、顶盖(7)、底盖(8)、弹性体固定螺栓(11)和上下盖支架(16)；上球(2)通过第一弹性体(1)和弹性体固定螺栓(11)固定在顶盖(7)上，下球(4)通过第二弹性体(3)与上球(2)相连，顶盖(7)和底盖(8)通过上下盖支架(16)相连；上球(2)与下球(4)里分别放置一套双轴倾角传感器，双轴倾角传感器的信号通过信号线穿过第一弹性体(1)和第二弹性体(3)的中间中孔，再穿过弹性体固定螺栓(11)，紧贴顶盖(7)，测量信号线沿顶部分(12)、测量信号线沿框部分(13)和测量信号线(14)通过测量信号引线穿孔(15)引到带零位校正孔的盖板(5)和底盖(8)组成的封闭空间内，控制电路集中在此空间内。
2.如权利要求1所述的复合量程风速测量装置，其特征在于，第二弹性体(3)的弹性系数是第一弹性体(1)的1/10，第一弹性体(1)和第二弹性体(3)是空心的。
3.如权利要求1所述的复合量程风速测量装置，其特征在于，双轴倾角传感器U2和U3选用SCA100-D1，单片机U1选用12C5608，单片机U1的P17管脚连接双轴倾角传感器U2的CS管脚，单片机U1的P16管脚连接双轴倾角传感器U2的SCK管脚，单片机U1的P15管脚连接双轴倾角传感器U2的SO管脚，单片机U1的P14管脚连接双轴倾角传感器U2的SI管脚，单片机U1的P11管脚连接双轴倾角传感器U3的CS管脚，单片机U1的P10管脚连接双轴倾角传感器U3的SCK管脚，单片机U1的7/WR管脚连接双轴倾角传感器U3的SO管脚，单片机U1的P12管脚连接双轴倾角传感器U3的SI管脚；单片机U1的P13连接有指示灯L1，单片机U1的2/INT1连接有指示灯L2，这两个指示灯作为内部状态指示用；单片机U1的0/RXD管脚连接编程插座的1，单片机U1的1/TXD管脚连接编程插座的接口2，编程完成后，该插座作为通讯接口向外传送测量结果的数据；单片机U1的X2和X1管脚连接有晶体振荡器X1，单片机U1的4/T0管脚连接有发光信号灯L3，单片机U1的5/T1连接有感光信号接收电路，单片机U1的RST管脚连复位电路，单片机U1的20和10管脚分别连接电源的5V和地。
4.如权利要求1所述的复合量程风速测量装置，其特征在于，在底盖(8)正对下球(4)的地方安装感光器件，用带零位校正孔的盖板(5)盖住，下球(4)的下方设置有尾管(9)，里面有红外LED发光源和透镜，向下方发出聚焦的光点，控制电路位于带零位校正孔的盖板(5)和底盖(8)组成的空间内，红外光接收管P1的位置正对带零位校正孔的盖板(5)的零位校正孔。
5.如权利要求1所述的复合量程风速测量装置，其特征在于，底盖(8)上通过限位环固定脚(10)固定有限位固定环(6)。
6.如权利要求1所述的复合量程风速测量装置，其特征在于，底盖(8)上还设置有指北安装方位标识(17)。
7.一种复合量程风速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)下球(4)的尾管(9)内部有红外LED发光源和透镜，点亮安装在尾管(9)内红外LED发光源进行零位校正，当下球(4)处于静止时或刚好经过零位时，尾管(9)底部的发射出来的光正好通过带零位校正孔的盖板(5)的零位校正孔照射到感光器件P1，以此确定零风速，用来校正第一弹性体(1)和第二弹性体(3)的零位；若感光器件P1收到光就进行一次校正，校正的过程就是立即采集上球(2)和下球(4)倾角数据，并分别记录到上球(2)和下球(4)的零位修正数据表中；校正是在感光器件P1收到光后立即进行的，校正后进入下面的步骤(2)，若暂时没有收到校正光，则跳过校正进入步骤(2)，等待下个循环校正；由于零点飘移是一个缓慢过程，每个循环时间又很短，本次循环没有校正则使用上次校正的数据；
(2)采集上球(2)和下球(4)的倾角数据，先把下球(4)的数据减去零位数据，校正后的数据和预先设定的弱风临界值进行比较，若小于等于弱风临界值，进入步骤(3)，若大于弱风临界值，进入步骤(4)；
(3)当风速小于等于弱风临界值，下球(4)会先摆动起来，双轴倾角传感器测量出下球(4)倾斜的角度，根据倾角的不同，计算出当时风速的大小，根据X、Y轴倾角的不同，计算出风向；具体为：一个侧面定义为北向，设立指北安装方位标识(17)，安装仪器时保证该指北安装方位标识(17)指向正北方；标定球体倾角与风力的关系，计算并选定弹性体和悬挂的球体，然后通过实验确定球体偏斜与风力的对应关系数据表格，根据测量到的倾角数值，查出对应的风力；
(4)当风速大于弱风临界值，上球(2)摆动起来，此时测量的风速量程相对较大，保障了较大风速的测量精度；其风速风向测量过程同步骤(3)。
8.如权利要求7所述的复合量程风速测量方法，其特征在于，步骤(3)中，双轴倾角传感器选用SCA100T-D1，具有独立的X和Y两个方向倾角的功能，安装时，把该标识指向正北方；如果是北风，则把球体吹向南方，倾角传感器输出X方向输出正值，根据表格可以查出风力的大小；如果是南风，则把球体吹向北方，倾角传感器X方向输出是负值，即可据此判断南风或北风；在南风或北风时，倾角传感器的Y方向没有输出，因为两个方向是独立的，互不影响；当有东西方向的风时，传感器沿着Y方向有输出，根据输出的正负，可以判断是东风或者西风，根据数值的大小可以查表得到风力大小；如果是任意风向，南北向和东西向都有，则传感器的X和Y方向都会有输出，根据两个方向的比例，即可确定南北和东西方向的风力比例，也就是能够确定风的任意方向，其计算关系是三角函数，首先计算合成风速，测量得到南北向风速是VY，东西向的风速是VX，则合成风速是V＝((VY)2+(VX)2)1/2；其次计算风向，假设以正北方向0°，建立顺时针旋转的坐标系，南北向风作为VY，北风使得传感器输出为正值，东西方向风为VX，东风使得传感器输出为正值，则两个传感器都有输出时，合成风向与正北的夹角为α，按顺时针分布四个象限，合成风向角分别为：第1象限VY>0,VX>0：α＝arccos(VY/V)，第2象限VY<0,VX>0：α＝π-arc cos(VY/V)，第3象限VY<0,VX<0：α＝π+arc cos(VY/V)，第4象限VY>0,VX<0：α＝2π-arc cos(VY/V)。
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