基于七孔探針測量原理的平面全風向風速傳感器的研究

黃俊

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412001）

基于七孔探針測量原理的平面全風向風速傳感器的研究

黃俊

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412001）

近年來，隨著我國航空航天事業快速發展，流體流動方向和速度的高精度測量重要性日漸凸顯。但當前的測量技術還遠未成熟，均存在各種缺陷。本文運用七孔探針測量原理，研究和設計了一種新的風向風速測量傳感器。硬件平臺采用低功耗MSP430單片機，進行數據采集和控制，無線模塊的作用范圍在1000～1200m，信號強，可實現信號源與信號接收端分離，減小由于采集裝置自身體積帶來的流場誤差，數據精度高。此外本傳感器具有安裝簡便、實用性強、支持擴展、改裝等優點。

航空航天；風速風向傳感器；MSP430單片機；LabView

近年來，隨著我國航空航天、氣象檢測、環境控制等事業的高速發展，流體流動方向和速度的高精度測量越來越重要。傳統的氣流方向和速度測量通常有兩種方法：多孔探頭測量和熱線/熱膜法測量。多孔探頭法測量流速流向方法方便、快速，設備和技術簡單，易于實現，但氣流偏角測量范圍有限。熱線/熱膜法直接將流速變化轉化為電信號，響應快，滯后小，動態響應寬，但因為脆弱性不適合測量流速較高或非氣體流動的場合。熱膜探頭具有機械強度較高的優點，但存在加工復雜，維護不便的問題。

因此，本文擬研究設計一款可以測量平面內的流動的流速流向測量傳感設備。可通過多孔壓力測試技術測量正負180°范圍內氣流，此外可通過無線通信與計算機實現數據的傳輸，工作可靠，精度高，維護方便，并且可以通過封裝的修改，適用更多場合的應用，具有良好的應用價值。

1 系統方案

系統分為硬件和軟件兩部分。系統硬件分為模型、壓強傳感器模塊、數據處理模塊、顯示模塊、無線模塊和上位機用戶平臺六部分。主要完成數據采集、轉換、處理、存儲和向上位機傳輸和顯示的功能。系統軟件包括單片機控制軟件和上位機平臺軟件。

系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

模型模塊為一圓柱，8個測壓孔均布于圓柱某一平面。如圖2所示。

圖2 圓柱俯視圖

該模型的測量原理基于七孔探針，是流體力學中的經典圓柱繞流模型。七孔探針可測量氣流偏角為78°的大偏角流動，測試精度為1%，本文利用七孔探針測量大流動角下的總壓、靜壓及方位角的原理，重組得到適合本設計的的公式，并進行精度驗證。必須能夠滿足工程測量的需求。

修正后的公式如下：

圖3 根據上述兩個公式擬合得曲線

由壓強傳感器模塊輸出的信號經電壓偏置后進行A/D轉換，由單片機處理后通過液晶顯示速度及風向，并將數據經RS232接口通過無線模塊傳輸至PC。PC終端將數據處理后記錄存儲。

2 系統硬件設計

硬件框圖如圖4所示。

根據系統需求分析，主控模塊采用MSP430F149芯片，它集成片內ADC模塊，傳感器選用1220A-005G-3S壓力傳感器，它有表壓、絕壓、差壓三種工作方式。滿量程輸出0-100 mV，工作溫度區間大，可在環境惡劣的情況下正常工作。誤差則控制在0.1%，適合高精度場合。接口采用RS232接口，編程簡單，適用性強，傳輸速率快。無線傳輸模塊選用APC220，該模塊是高度集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊，能夠透明傳輸任何大小的數據，無須編寫復雜的設置與傳輸程序，體積小、寬電壓運行，傳輸距離遠。

圖4 硬件框圖

3 軟件設計

程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

其參數為8個通道的數據取32次平均值后對應的數據。calculate（）函數中涉及的coefficient arrays由常溫標準大氣壓下曲線擬合得出，如果環境變化差異巨大，則需重新標定。get（）函數則是用來確定主通道序號，用于計算時數據的選擇。由于擬合是選用的三次擬合，所以求解時采用數值方法計算解的近似值（誤差≤10-5），然后根據系統設計中的公式可得到風速風向，并通過1602液晶顯示。此外，我們還設計了上位機平臺，程序采用LabView編寫。該軟件可實現簡單的數據接收及處理，為系統校驗及評估提供了可能。

4 測 試

經過對數據的擬合，得到圖7曲線：

圖6 數據擬合曲線

圖7 數據擬合曲線

在此基礎上用步進電機帶動圓柱，進行360°的測量，經過數據處理有如下指標：

風向最大相對誤差≤1%

風速相對誤差≤10%（風速小于1 m/s）

相對誤差≤3%（風速大于5 m/s）

顯然速度的誤差相對較大，尤其在風速較低的時候。

圖7選取了-1°～6°間的部分數據，顯然風洞頻率低的時候（風速小）理論點與實際點的誤差較大，而隨著頻率增大，理論與實際點的偏差越來越小。

5 結 論

通過軟硬件的設計，本平臺設計的風速風向傳感器提高了實驗室風速風向測量的精度。無線模塊的作用范圍在1 000～1 200 m，信號強，可實現信號源與信號接收端分離，減小由于采集裝置自身體積帶來的流場誤差，數據精度更高。此外傳感器、處理模塊、接收模塊三者分離，安裝簡便，實用性強，支持擴展、改裝以及封裝。圓柱模型強度大，可在強風下工作；8通道的模型理論精度高，支持高精度的實驗，且遲滯效應弱，任一方向的擾動都能及時地反應在讀數上。采用的芯片都是工業級的設計，能在惡劣的環境下正常工作。

在設計過程中，由于電壓信號小，干擾信號比較大，在后續的研究中，可以增加屏蔽罩減小信號干擾。此外，如果有垂直方向的風速風向測量需求，模型可以進行重新設計，以滿足更廣泛的應用需求。

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Study on the whole plane wind speed sensor based on the principle of measuring seven hole probe

HUANG Jun
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou，412001，China）

In recent years，with the rapid development of China's aerospace industry，the importance of high precision measurement of fluid flow direction and speed is becoming more and more important.But the current measurement technology is far from mature，there are all kinds of defects.This paper applies the principle of seven hole probe measurement，research and design a new wind speed measuring sensor.Hardware platform adopts low power MSP430 microcontroller，data acquisition and control，the scope of the wireless module in the 1000～1200m，strong signal can realize signal source and receiver separation and decreased due to the flow error brought by the acquisition device volume，high accuracy of data.In addition，the sensor has the advantages of simple installation，strong practicability，support expansion，modification，etc.

Aerospace； wind sensor； MSP430 single-chip microcomputer； LabView

TN108

A

1674－6236（2017）16-0084-03

2016-07-19稿件編號：201607137

黃 俊（1969—），男，湖南株洲人，碩士，講師。研究方向：控制系統與控制理論、電氣工程。