螺旋槳式測風傳感器自動檢測系統研究與開發

郭顏萍，張志偉，崔天剛，王東明

（山東省海洋環境監測技術重點實驗室 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

螺旋槳式測風傳感器工作穩定可靠，測量范圍和準確度滿足常規要求，用于測風已經多年，在各類船舶、海上和陸地氣象臺站應用非常普遍。測風傳感器一般安裝于室外，長期經受降水、結冰、風沙的侵襲，再者轉動部分的機械磨損、腐蝕也會使測風傳感器產生誤差[1]，根據有關規定，運行使用中的測風傳感器必須進行周期性的檢測。目前常用的方法是將測風傳感器置于符合標準的風洞中進行檢測[2]，但是這種方法必須將測風傳感器從安裝地點長途運輸至風洞實驗室，耗時費力而且價格昂貴。因此，有必要研制一套方便快捷的自動化檢測系統，以解決螺旋槳式測風傳感器進行大批量、周期性檢測的需求。

1 總體設計與工作原理

圖1 自動檢測系統原理框圖Fig.1 Schematic diagram of automatic detection system

自動檢測系統原理如圖1所示，由嵌入式系統、伺服驅動器、伺服電機、編碼器、蝸桿和角度盤等部分組成。風速部件檢測原理：螺旋槳式測風傳感器隨風吹動，其風速轉軸轉數和輸出的脈沖信號頻率與風速大小基本成正比，在1～70 m/s風速測量范圍內有較好的線性度。根據這一原理，利用一個伺服電機帶動風速轉軸連續轉動，由嵌入式系統通過伺服驅動器設定不同的轉速，伺服電機通過編碼器將實時速度反饋給驅動器，形成一個閉環的控制系統。嵌入式系統通過信號采集電路得到測風傳感器輸出的實際風速值，比較風速設定值和實際值，即可得到測風傳感器風速部件的檢測結果。風向部件檢測工作原理：測風傳感器尾翼隨風向變化轉動，帶動光電碼盤電路輸出格雷碼，或者帶動環形滑動電位器電路輸出電壓，可測出0°～360°的風向值。根據這一原理，將測風傳感器固定在角度盤中央，尾翼固定不動，伺服電機通過蝸桿傳動進而帶動蝸輪角度盤同軸同角度旋轉，使傳感器尾翼與蝸輪角度盤作相對圓周運動[3]，其步距角由嵌入式系統通過伺服驅動器設定，電機通過編碼器將實時位置反饋給驅動器，形成一個閉環的控制系統。運動一周，比較角度盤示值和測風傳感器輸出的實際值，即可得到測風傳感器風向部件的檢測結果。

2 硬件設計

2.1 嵌入式系統

嵌入式系統采用基于ARM920T內核的S3C2440作為中央控制器，其內部集成了微處理器和常用外圍組件，具有較高的性價比。以S3C2440微處理器為核心，設計的硬件電路框圖如圖2所示。存儲器分為64M的FLASH和的64M SDRAM，FLASH用于存放程序代碼和常量表，SDRAM用做程序的運行空間、數據和堆棧區。電源轉換電路完成5 V到3.3 V，3.3 V到1.8 V和1.2 V電壓的轉換，提供內核和外圍擴展電路所需工作電壓[4]。JTAG接口用于仿真調試，鍵盤采用4×4矩陣式接口電路，SD卡接口采用S3C2440本身的SD卡接口控制器構建。液晶屏接口和RJ45以太網接口都需要通過外接相應的控制芯片來實現。

圖2 嵌入式系統硬件設計框圖Fig.2 Hardware block diagram of the embedded system

2.2 檢測單元

風速風向檢測單元包括RS232驅動器、伺服電機控制器、伺服電機、繼電器、信號采集電路，電路框圖如圖3所示。為了防止外界干擾對嵌入式系統的損壞，利用光電隔離芯片將串口驅動電路、風速風向信號采集電路與嵌入式系統進行電氣隔離。檢測單元對電機的要求是精度高、轉矩高、可靠性好，能實時反饋自身轉速和位置信息，因此選擇自帶編碼器的無刷直流伺服電機和配套的伺服電機驅動器[5-7]。螺旋槳式測風傳感器的風速輸出一般為脈沖或串口形式，據此設計了多種風速信號采集電路，風向輸出一般為格雷碼、電壓或串口形式，據此設計了多種風向信號采集電路。操作人員通過屏幕設定傳感器型號參數之后，系統軟件控制繼電器自動與對應的風速風向信號采集電路接通。

3 軟件設計

圖3 檢測單元硬件設計框圖Fig.3 Hardware block diagram of detecting unit

系統應用軟件基于嵌入式Linux平臺，軟件構成分成以下4個部分：引導加載程序、Linux內核、文件系統和應用程序。應用程序主要完成的功能包括提供人性化的彩色液晶顯示界面、實時響應按鍵操作、檢測風速和風向、SD卡存儲、以太網通信等。為了滿足風速和風向同時檢測的需求，軟件采用多線程的方式來實現。兩個子線程的程序流程框圖如圖4所示。風速檢測子線程中，按照GB/T 24559-2009海洋螺旋槳式風向風速計[8]中對風速檢測點的要求，以及該型號傳感器的參數，逐點設定測風傳感器風速轉軸的轉速，穩定后采樣測風傳感器輸出的實際風速值。風向檢測子線程中，首先根據測風傳感器風向分辨率等參數指標設定伺服電機的步距角和風向檢測點n，然后每次按照步距角控制伺服電機轉動，共計轉動n次，采樣測風傳感器輸出的實際風向值，并送給顯示屏進行顯示。所有檢測點完成后，數據處理程序模塊將實測值與設定值比較，如果兩者的差值在允許誤差范圍內，則判定檢測結果合格，否則如果兩者差值超過允許誤差，則判定檢測結果不合格。

圖4 風速風向檢測子線程Fig.4 Child thread of detecting for wind speed and direction

4 測試運行

自動檢測系統測試運行連接如圖5所示。檢測之前，需要進行風速轉軸夾具固定、風向角度對零等一些準備工作。卸下緊固螺帽和螺旋槳，將伺服電機A通過聯軸器與風速轉軸聯接，通過專用夾具套入測風傳感器機身并固定。角度盤采用鋁材制造，角度盤的圓周上均勻分布有360個蝸輪齒，并與蝸桿嚙合良好。檢測之前，把測風傳感器安裝在角度盤中心軸上，測風傳感器尾翼通過支架固定不動，啟動數據處理終端，在人機交互界面上選擇參數設置，輸入測風傳感器尾翼當前所對的角度值，繼而選擇風向對零，軟件控制伺服電機B帶動蝸桿轉動，進而帶動角度盤繞中心軸旋轉，使傳感器機身投影線與角度盤上0°～180°方向一致，且傳感器尾翼對準0°方向。

圖5 系統測試運行連接圖Fig.5 Connect drawing of the system working

準備工作完成以后，在數據處理終端人機交互界面上，選擇風速風向檢測功能后，自動檢測系統自動開始對測風傳感器進行測試，測試完畢顯示屏顯示檢測結果，同時將數據通過以太網傳送到遠程服務器。應用該自動測試系統檢測某臺測風傳感器，數據處理終端顯示的風速和風向測試數據如圖6所示。

圖6 風速風向測試數據Fig.6 Test data of wind speed and direction

5 結束語

本文針對設計定型后的螺旋槳式測風傳感器，研發了一種拆卸方便、操作簡單的自動檢測系統，用于該類傳感器的出廠檢測、運行使用中的周期性檢測等試驗。主要的創新點如下:

1）系統涵蓋了螺旋槳式測風傳感器的多種信號輸出形式，采樣電路通過繼電器自動接通，可對風速風向進行同時檢測，大大提高了檢測效率；

2）利用蝸桿蝸輪模型構建風向角度盤，采用伺服電機控制蝸桿傳動進而帶動蝸輪角度盤轉動的方法，使風向測量精度精確到1度；

3）檢測數據可通過SD卡保存在本地，也可通過以太網傳送到遠程服務器；

4）系統安裝拆卸方便、操作簡單，大大降低了檢測成本，具有較高推廣應用價值。

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