風(fēng)傳感器的對比研究

蔡成滿，傾鵬程，馮志航

（中山市氣象局，廣東 中山 528403）

0 引言

目前風(fēng)杯式風(fēng)傳感器廣泛應(yīng)用于氣象、海洋、環(huán)境、港口、機(jī)場、工農(nóng)業(yè)及交通等領(lǐng)域，因此有必要對風(fēng)傳感器進(jìn)行分析研究[1-4]，基于中國氣象局氣象探測中心《地面觀測要素數(shù)字傳感器測試評估》項目，共六家國內(nèi)氣象公司生產(chǎn)的風(fēng)杯式風(fēng)傳感器安裝在中山國家基本氣象站場內(nèi)進(jìn)行為期1年的測試評估。他們分別是江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司、中環(huán)天儀（天津）氣象儀器有限公司、華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司、上海長望氣象科技股份有限公司、長春市濟(jì)春氣象探測技術(shù)有限公司、長春氣象儀器有限公司，下面分別用組1—組6表示。本次測試評估項目主要是測試儀器產(chǎn)品的可靠性、準(zhǔn)確性、易維護(hù)、易擴(kuò)展等，根據(jù)測試要求，六家公司的風(fēng)傳感器均采用太陽能板加內(nèi)置蓄電池進(jìn)行供電，配合Zigbee無線通信，完全實現(xiàn)設(shè)備的無線纜安裝，便于現(xiàn)場靈活互換和維護(hù)，同時支持有線的RS232串口的信號輸出，支持?jǐn)U展調(diào)試。

1 風(fēng)傳感器工作原理

1.1 風(fēng)向

六組測試的風(fēng)向傳感器均由七位格雷碼盤、光電組件、電路板和風(fēng)標(biāo)組成。風(fēng)向傳感器最核心部件是七位格雷碼盤，它將風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動角度的度數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號。碼盤分上中下三部分，上部裝有7個紅外發(fā)光二極管，中間正對7個碼道，底下有7個光敏三極管與上部的二極管相對應(yīng)。碼盤隨風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動不管處于任何位置，在同一時刻透光與不透光的組合達(dá)128個，所以風(fēng)向分辨為360°/128=2.8125°，即風(fēng)向標(biāo)每轉(zhuǎn)動2.8125°就能輸出一組格雷碼，而且相鄰兩組格雷碼僅有一位數(shù)字發(fā)生0和1的不同，能精準(zhǔn)表示出風(fēng)向的微小變化。

1.2 風(fēng)速

本次測試的風(fēng)速傳感器是三杯式風(fēng)速傳感器，外部主要由三個互成120°且處于同一平面的半球形風(fēng)杯組成。在風(fēng)力的作用下風(fēng)杯繞軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速。組2—組5是光電式風(fēng)速傳感器，其內(nèi)部主要由截光盤和光電轉(zhuǎn)換器組成，風(fēng)杯轉(zhuǎn)動時帶動軸上的截光盤轉(zhuǎn)動，光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光電掃描并產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號，其脈沖頻率隨風(fēng)速增大而增加，經(jīng)計數(shù)器處理后，輸出實際的風(fēng)速。組6則是霍爾效應(yīng)電磁式風(fēng)速傳感器，其內(nèi)部主要由霍爾開關(guān)電路和上下兩兩對應(yīng)的18對磁體組成，風(fēng)杯轉(zhuǎn)動時帶動磁棒盤旋轉(zhuǎn)，周轉(zhuǎn)一圈，霍爾開關(guān)電路能感應(yīng)出18個脈沖信號，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增大，經(jīng)計數(shù)器處理后，輸出實際的風(fēng)速。

2 資料與方法

本文采用的數(shù)據(jù)總時長為12個月，從2016年6月30日20時到2017年6月30日20時。由于組6從2017年3月18日起出現(xiàn)信號接收故障，無法形成一年數(shù)據(jù)，故組6不參與本文數(shù)據(jù)分析對比。

2.1 月平均風(fēng)速

從圖1可見，中山站月平均風(fēng)速比所有組的月平均風(fēng)速均偏大，這是因為中山站風(fēng)儀器安裝在10 m風(fēng)塔上，而各組的風(fēng)儀器安裝距地面1.5 m處，一般來說風(fēng)速隨拔海高度的升高而增大，所以中山站月平均風(fēng)速比所有組偏大是符合上述規(guī)律的。圖1中中山站月平均風(fēng)速最小值出現(xiàn)在1月份為1.4 m/s，峰值出現(xiàn)在6、7月份為2.0 m/s，而各組的曲線變化基本同步，與中山站相比各組的最小值均出現(xiàn)在5月份為0.7、0.8 m/s，但峰值出現(xiàn)則各不相同：組1峰值為1.0 m/s，分別出現(xiàn)在10-12月份和2月份；組2峰值為1.2 m/s，出現(xiàn)在11月份；組3峰值為1.2 m/s，出現(xiàn)在2月份；組4峰值為1.2 m/s，分別出現(xiàn)在7、11和2月份；組5峰值為1.2 m/s，分別出現(xiàn)在11和2月份。其中，組1比其他組的各月平均風(fēng)速數(shù)據(jù)明顯偏小0.1到0.2 m/s，根據(jù)現(xiàn)場的觀察沒發(fā)現(xiàn)組1安裝異常，而且當(dāng)風(fēng)流動變化時（風(fēng)速大于0.2 m/s），組1的風(fēng)杯也能立即轉(zhuǎn)動，初步判斷組1風(fēng)速比其他組風(fēng)速數(shù)據(jù)偏小可能是組1內(nèi)部元件計算的結(jié)果。

圖1 組1—組5月平均風(fēng)速與中山站對比

2.2 數(shù)據(jù)可靠性

為了研究五組風(fēng)傳感器數(shù)據(jù)可靠性，采用均方根誤差分析法[5]進(jìn)行誤差分析，衡量五組數(shù)據(jù)的可靠性。式（1）為均方根誤差公式：

原則上，均方根誤差越小，風(fēng)傳感器數(shù)據(jù)越穩(wěn)定可靠。以中山站月平均風(fēng)速數(shù)據(jù)為參考，五組的均方根誤差值如下表1，從表1可以看出，五組RMSE值的很接近，其中組5的均方根誤差最小，認(rèn)為組5數(shù)據(jù)最可靠；組3相對來說數(shù)據(jù)穩(wěn)定性稍差。

表1 五組RMSE值列表

2.3 月最多風(fēng)向

從圖2可見，中山站月最多風(fēng)向峰值為出現(xiàn)在10月份和12月份的東北偏北風(fēng)，風(fēng)向頻率為25%；組1月最多風(fēng)向峰值也是出現(xiàn)在10月份的東北偏北風(fēng)，風(fēng)向頻率為24%；組2的跟組1的一樣，但風(fēng)向頻率為25%；組3組4跟其他組差異較大，組3月最多風(fēng)向峰值為出現(xiàn)在2月份的東風(fēng)，風(fēng)向頻率為20%，其10月份最多風(fēng)向為北風(fēng)，風(fēng)向頻率為17%；組4則是12月份的北風(fēng)，風(fēng)向頻率為24%，其10月份最多風(fēng)向為東北偏北風(fēng)，風(fēng)向頻率為21%；組5跟組1類似，也是出現(xiàn)在10月份，風(fēng)向頻率為24%，但卻是東北風(fēng)。綜觀圖2各組月最多方向曲線跟中山站比較有明顯差別，組1、組2、組5這三組與中山站較接近。組3和組4無論與中山站比較還是五組內(nèi)比較差別均較大。故認(rèn)為組1、組2、組5風(fēng)向數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。

圖2 組1—組5月最多風(fēng)向與中山站對比

根據(jù)上述分析，中山站與五組風(fēng)傳感器風(fēng)向數(shù)據(jù)差別較大是風(fēng)傳感器安裝高度不同導(dǎo)致的，同時五組風(fēng)向數(shù)據(jù)也互不相同，根據(jù)實驗表明[6]，即使各組風(fēng)傳感器安裝同一的水平高度上，如下圖3所示，風(fēng)向數(shù)據(jù)也不完全一致，因為風(fēng)杯本身是空氣流的擾動源，當(dāng)來向的風(fēng)經(jīng)過前面的風(fēng)傳感器后，由于風(fēng)杯的作用，會影響到后面的風(fēng)傳感器采集，導(dǎo)致所采集到的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)有差異。

圖3 風(fēng)傳感器安裝俯視圖

2.4 采集成功率

一次完整的數(shù)據(jù)采集是傳感器隨外界要素的變化觸發(fā)機(jī)械變化從而產(chǎn)生光電信號，光電信號輸送到數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行整合變成傳輸信號，經(jīng)ZigBee無線通信技術(shù)近距離傳輸?shù)街鞑杉鳎Υ娴街鞑杉髦校瑪?shù)據(jù)以BUFR格式儲存在SD卡中供本地下載查看，同時通過4G無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)诫娔X服務(wù)器中。

本次測試所有風(fēng)傳感器均采用這種傳輸模式，主要測試數(shù)據(jù)在近距離和長距離的無線傳輸?shù)姆€(wěn)定程度。基于電腦服務(wù)器沒有設(shè)在本站，所以本文只統(tǒng)計SD卡中的采集到的數(shù)據(jù)情況。按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，下一分鐘前部接收到上一分鐘的數(shù)據(jù)為有效。當(dāng)遇到客觀原因，如數(shù)據(jù)丟包、交流電跳閘或測試人員授權(quán)集中調(diào)試等原因?qū)е轮鞑杉魍C(jī)無法接收數(shù)據(jù)，但傳感器仍繼續(xù)工作，數(shù)據(jù)暫時存儲在數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)，待主采集器恢復(fù)正常后陸續(xù)上傳，而這部分?jǐn)?shù)據(jù)當(dāng)以剔除。理論上主采集器在一年中應(yīng)收到的總采集量（按一分鐘一條數(shù)據(jù)算）為分鐘數(shù)×小時數(shù)×天數(shù)，即60×24×365=525 600.除去客觀原因?qū)е碌目杖辈杉?5 065，實際測試的總采集量應(yīng)為510 535.式（2）為采集成功率的計算公式，下表2為在主采集器中統(tǒng)計到的組1到組5的成功采集總量，其中：

從表2可見，組3的成功采集率是最高的，達(dá)到99.81%；其次是組1的99.70%，組4和組5的采集成功率相對稍低，因此認(rèn)為組3的數(shù)據(jù)采集及傳輸穩(wěn)定性較好。

表2 五組成功采集量和成功率列表

3 建議

3.1 在供電方面

建議使用容量較大的電池，最好能保證電池在沒有外界電源補(bǔ)充（太陽能板充電等）的情況下仍能連續(xù)穩(wěn)定工作30天以上。因為一年到晚總會遇到低溫陰雨天氣，而中山歷史上曾出現(xiàn)過連續(xù)26天的低溫陰雨天氣，太陽能板基本無法給電池充電，而當(dāng)電池電量下降到某個閥值時，為保護(hù)電池壽命數(shù)據(jù)處理單元會作出停電指令，從而導(dǎo)致整個風(fēng)傳感器不工作，就無法保證數(shù)據(jù)的一致性、設(shè)備的穩(wěn)定性。

3.2 在材料方面

建議在構(gòu)件部分多選用耐老化材料[7-8]、抗腐蝕材料，保證在強(qiáng)日照、高溫高潮等外部環(huán)境中均能滿足功能指標(biāo)的需求。從試驗中看到有部分公司的構(gòu)件已經(jīng)出現(xiàn)銹跡，就耐老化和抗腐蝕方面來說還是不足，有待改進(jìn)。