CN216718477U - 一种光电转换式测风仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光电转换式测风仪，安装座、测风片、激光源、光电转换装置和示波器，光电转换装置和示波器电性连接，所述的安装座上设置转轴，所述的测风片固定连接于转轴上，所述的激光源发出的激光经过测风片反射至光电转换装置的光电二极管上。本发明方便携带，对于测风环境要求较低，可实现随时随地测风。并且综合了风速仪和风向标的作用，可同时测量风向和风速。
Description
技术领域
本实用新型公开了一种光电转换式测风仪，涉及测风仪器技术领域。
背景技术
现有的测风装置为风杯式风速仪和风向标，分别来测量风速和风向，风杯式风速仪通过风杯的旋转速度来反映风速大小，风向标在风力的作用下，改变指向杆方向，指向风的来向，最终转化为电信号。同时，风速仪和风向标需固定在10-20米位置处。这种测风系统需风速仪和风向标配合使用才能测得风向和风速，另外，这种测风装置需固定在10-20米位置处，对测量环境要求较高，不方便携带。
实用新型内容
本实用新型针对上述背景技术中的缺陷，提供一种光电转换式测风仪，利用光学测振法，同时测得风向和风速，方便携带，操作简便，满足日常生产生活对于风向风速数据的要求。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种光电转换式测风仪，包括：安装座、测风片、激光源、光电转换装置和示波器，光电转换装置和示波器电性连接，所述的安装座上设置转轴，所述的测风片固定连接于转轴上，所述的激光源发出的激光经过测风片反射至光电转换装置的光电二极管上。
进一步的，所述的激光源、测风片中心点以及光电二极管在同一水平面上。
进一步的，所述的激光源的入射角和反射角均为30°。
进一步的，所述激光源与光屏片的垂直距离为45~55cm，光电转换装置与光屏片的垂直距离为2~3m。
进一步的，所述的光电转换装置包括：型号为OP27的运算放大器和PIN-13DSB的光电二极管，所述的运算放大器的负输入端连光电二极管的阴极，所述的光电二极管阳极接地，所述运算放大器的正输入端连接保护电阻后接地，所述的运算放大器的输出端连接示波器，所述的运算放大器的负输入端和输出端之间连接反馈电阻Rf，所述运算放大器的TRIM引脚端连接调压电阻R。
光电探测器为PIN-13DSB光电二极管，具有较高光电转换率、较快的响应速度特点；工作波长为320nm-1100nm，峰值波长为960nm.PIN-13DSB光电探测器的转换系数为0.29A/W-0.52A/W；因为PIN光电二极管的输出为电流信号，所以选用跨阻性前置放大器将电流信号转换为电压信号，OP27集成运算放大器可增强电路稳定性，适应高频信号。
进一步的，所述反馈电阻Rf上并联一个30-70pF的独石电容Cf,，为了减小热噪声的带宽，提高信噪比，同时也为了防止产生自激振荡。
进一步的，所述反馈电阻Rf采用了1MΩ的金属膜电阻，为提高光电检测电路的输出电压，则反馈电阻Rf越大越好，但是当Rf的值大到一定程度以后，整个检测电路的稳定性和信噪比会降低，当Rf的值与运算放大器的输入电阻较接近时，前置放大电路的检测效果则会受到影响，故本电路中反馈电阻Rf使用了1MΩ的金属膜电阻，保证前置放大器输出电压在1.0V以下工作在良好的线性区。
进一步的，所述的运算放大器接12V工作电压。
进一步的，所述的测风片为金属片；金属片厚度0.2-0.3mm，材质为铝材，长度为30-40cm，宽度为30-40cm。
风向检测原理：测风片在风力吹动后的指向方向的反方向。
风速检测原理：根据卡曼涡旋振动原理，在旋转轴直径不变的条件下，涡旋的脱落频率与风速成正比，而测风片在涡旋的影响下，测风片的振动频率与涡旋的脱落频率相等，即测风片的振动频率与风速成正比；通过光学放大法，将测风片的振动转化为光斑的形变，测风片的振动频率越大，光斑的形变就越大；再利用光电转换法测量薄金属片的振动频率，激光照射到薄金属片上，经过薄金属片反射，激光投射在光屏上形成光斑，激光束由于振动，光斑在视觉上产生变粗的效果，此激光振动频率与薄金属片的振动频率相等；光电转换装置对准光斑边缘，通过示波器测得电压变换频率，反推出激光束的振动频率（电压变换频率与激光束振动频率相等）即为薄金属片的振动频率，也为卡曼涡旋的脱落频率，因卡曼涡旋脱落频率与风速成正比，则电压变换频率与风速也成正比，由此根据定标的数据，可测得风速。
有益效果：本发明基于卡曼涡旋振动原理，通过测量薄金属片的振动频率，进而测得风速以及风向；本发明可同时测得风向和风速，综合了风速仪和风向标两种仪器的功能；本发明根据测风片指向方向来测量风向，本发明方便携带和安装，操作简便，将卡曼涡旋振动与光电转换法测振相结合，将风速值转换为激光振动的频率值，可直接读数，操作简便，测量结果更加准确。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的光电转换装置电路图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1~2所示的一种实施例，一种光电转换式测风仪，包括：安装座1、测风片2、激光源3、光电转换装置4和示波器，光电转换装置4和示波器电性连接，所述的安装座1上设置转轴5，所述的测风片2固定连接于转轴上，所述的激光源3发出的激光经过测风片2反射至光电转换装置4的光电二极管上。
所述的激光源3、测风片2中心点以及光电二极管在同一水平面上。
所述的激光源3的入射角和反射角均为30°。
所述激光源3与光屏片的垂直距离为50cm，光电转换装置4与光屏片的垂直距离为2.5m。
所述的光电转换装置4包括：型号为OP27的运算放大器和PIN-13DSB的光电二极管，所述的运算放大器的负输入端连光电二极管的阴极，所述的光电二极管阳极接地，所述运算放大器的正输入端连接保护电阻后接地，所述的运算放大器的输出端连接示波器，输出信号U0，所述的运算放大器的负输入端和输出端之间连接反馈电阻Rf，所述运算放大器的TRIM引脚端连接调压电阻R。
所述反馈电阻Rf上并联一个30-70pF的独石电容Cf。
所述的运算放大器接12V工作电压。
所述的测风片2为金属片；金属片厚度0.2mm，材质为铝材，长度为30cm，宽度为30cm。
标定过程：配合现有的测风仪器，进行本实施例的数据标定；在已知风速条件下，
进行测风片振动频率测量，在多组不同风速数据条件下，测得相应风速下的测风片振动频
率大小，形成参照表，如下表1所示。
| 风速m/s | 风力 | 电压变换频率/Hz |
| 1.6-3.3 | 2级 | 3.0-8.0 |
| 3.4-5.4 | 3级 | 8.0-14.0 |
| 5.5-7.9 | 4级 | 14.0-21.0 |
| 8.0-10.7 | 5级 | 21.0-27.0 |
| 10.8-13.8 | 6级 | 27.0-31.0 |
| 13.9-17.1 | 7级 | 31.0-33.0 |
表1：电压变换频率-风速表
如上表所示，本申请适用于2级~7级风测量。
实地测量：首先，将测风装置置于待测点，在风力影响下，测风片围绕旋转轴发生旋转，直至测风片稳定后，开启激光源，用光屏接收激光光斑，将光电二极管对准光斑边缘，利用光电转换装置，最终读出激光振动频率导致的电压U0变换频率，配合电压变换频率-风速表，即可完成被测地风速的测量。
本发明基于卡曼涡旋振动原理，通过测量薄金属片的振动频率，进而测得风速以及风向；本发明可同时测得风向和风速，综合了风速仪和风向标两种仪器的功能；本发明根据测风片指向方向来测量风向，本发明方便携带和安装，操作简便，将卡曼涡旋振动与光电转换法测振相结合，将风速值转换为激光振动的频率值，可直接读数，操作简便，测量结果更加准确。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种光电转换式测风仪，其特征在于，包括：安装座、测风片、激光源、光电转换装置和示波器，光电转换装置和示波器电性连接，所述的安装座上设置转轴，所述的测风片固定连接于转轴上，所述的激光源发出的激光经过测风片反射至光电转换装置的光电二极管上。
2.根据权利要求1所述的一种光电转换式测风仪，其特征在于，所述的激光源、测风片中心点以及光电二极管在同一水平面上。
3.根据权利要求1所述的一种光电转换式测风仪，其特征在于，所述的激光源的入射角和反射角均为30°。
4.根据权利要求1所述的一种光电转换式测风仪，其特征在于，所述激光源与光屏片的垂直距离为45~55cm，光电转换装置与光屏片的垂直距离为2~3m。
5.根据权利要求1所述的一种光电转换式测风仪，其特征在于，所述的光电转换装置包括：型号为OP27的运算放大器和PIN-13DSB的光电二极管，所述的运算放大器的负输入端连光电二极管的阴极，所述的光电二极管阳极接地，所述运算放大器的正输入端连接保护电阻后接地，所述的运算放大器的输出端连接示波器，所述的运算放大器的负输入端和输出端之间连接反馈电阻Rf，所述运算放大器的TRIM引脚端连接调压电阻R。
6.根据权利要求5所述的一种光电转换式测风仪，其特征在于，所述反馈电阻Rf上并联一个30-70pF的独石电容Cf。
7.根据权利要求5所述的一种光电转换式测风仪，其特征在于，所述的运算放大器接12V工作电压。
8.根据权利要求1所述的一种光电转换式测风仪，其特征在于，所述的测风片为金属片。
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