搖桿式風速風向儀

王魏魏 宿忠娥 朱實強

摘 要：風速風向儀主要有兩種，一種是風杯式風速風向儀，存在的缺點是體積大，旋轉部件長期會造成磨損，另一種就是超聲波風速風向儀，存在的缺點就是成本高，技術復雜，國內技術被國外所壟斷，搖桿式風速風向儀優化了結構，采用球形鉸鏈機構，縮小了體積，設計原理簡單，成本低，可以在惡劣天氣工作等優點。

關鍵詞：搖桿；風速風向儀；球形鉸鏈

中圖分類號：P412.16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0019-02

Abstract： There are mainly two kinds of wind speed and direction meter： one is the wind cup type wind speed and direction meter， with its disadvantage being that the volume is large and the rotating parts will cause wear for a long time； the other is the ultrasonic wind speed and direction meter， the shortcomings of which are high cost and complex technology， and the domestic technology is monopolized by foreign countries. The rocker wind speed and direction meter has been optimized in structure， with a spherical hinge mechanism， a reduced volume， a simplified design principle， and low cost， and it can work in bad weather.

Keywords： rocker； wind speed and direction meter； spherical hinge

引言

風速風向儀是建筑機械、鐵路、港口、碼頭、電廠、氣象、索道、環境、溫室、養殖等領域用于測量風速風向的智能風速傳感報警儀器。風能作為一種無污染的可再生能源有著巨大的發展潛力，風力發電業成為新能源領域中技術最成熟，最具發展潛力的行業。隨著風力發電的快速發展，也帶動了風速風向儀的大量應用。風電場的宏觀、微觀選址，風力發電機組的運行過程中通常由風速風向儀來進行測風。因此，準確可靠的風速風向儀對風電場及風電機組的安全經濟運行至關重要。

1 設計原理

搖桿式風速風向儀，用于測量風速和風向的裝置，包括用來測風速風向的一體的遙桿機械裝置和信號采集電路。其中，搖桿機械裝置包括：球形鉸鏈杠桿、手柄、殼體、支架、受風體，地腳螺栓；信號采集電路包括：單片機、環形壓力應變片、模數轉換模塊、138譯碼器模塊、觸點、可充電電池、太陽能電池、液晶顯示模塊、開關、指南針、印刷電路板，加熱電阻，數據傳送線路。

設計原理圖（見圖1）。

如圖1所示：1、受風體2、球形鉸鏈3、壓力環4、環形壓力應變片5、觸點環6、觸點7、單片機等電子元件8、電路板9、外殼10、支架。

2 工作原理

風速風向儀安裝在被測量的環境中，當風從某一角度吹來，會作用在受風體上，受風體受到空氣阻力的作用，在力的作用下，受風體會偏向力作用的方向。在球形鉸鏈的支撐作用下，因為受風體和壓力環連接在球形鉸鏈的兩頭，因此受風體和壓力頭會相反的轉動，相當于一個杠桿的作用。

壓力頭在杠桿的作用下，會觸碰到周圍的環形壓力應變片，根據杠桿受到的力的大小不同，環形壓力應變片受到的力也是和風速的大小成正比，環形壓力應變片在不同的力的作用下，阻值會發生非線性的變化。

通過模數轉化模塊的作用，將環形壓力應變片兩端的電壓信號轉化為數字信號，傳送到單片機中。

環形壓力應變片電阻的非線性的變化通過程序對非線性變化的關系進行擬合，擬合出一條多次項關系式，將該多項關系式通過程序的方式寫入到單片機的程序當中，通過單片機的程序計算將風速的大小計算出來。

觸點環是一個環形結構，安裝在壓力環的下部，和壓力環的原理一樣，會在杠桿轉動中觸碰到觸點，把電路導通。

通過38譯碼器將8路的觸點信號匯集成三路信號，單片機將從38譯碼器中的信號解譯出來，對比內部數據庫后輸出對應的方位角。

溫度傳感器采集風速風向儀內部的溫度，控制加熱元器件進行有需要的工作，保證風速風向儀內部的溫度保持在一個小范圍的變化，確保環形壓力應變片電阻不會發生較大的變化。

3 原理補充

如圖2所示，1、球體2、座臺，兩個組合而成球形鉸鏈，之間保持潤滑滑動，摩擦力很小。3、環形壓力應變片4、壓力環，在風的作用下，球形鉸鏈做杠桿運動，壓力環就會朝著風相反的方向運動，碰到環形應變片，應變片受到壓力，阻值會發生非線性變化，單片機根據非線性變化的曲線擬合成一個高次方程，并計算出風力的大小。5、觸點6、觸點環7、電路板，在電路板上，圍繞觸點環分布了很多個觸點（對于精度要求更高的則需要更多的觸點），每個觸點之間都絕緣，觸點環觸碰到每個觸點的時候，就會相應的導通電路，每個觸點在地址里面都有一個編號，系統會根據導通的觸點去輸出當前的風向。

4 注意事項

受風體采用不銹鋼材料做成的空殼結構，在球體上部和下部所連接的零部件的重量分配如下：（1）觸點環和壓力環的重量之和略大于受風體的重量，使測風裝置保持豎直狀態；（2）整體的質量不能太大，可以降低啟動風速。

壓力環與環形壓力應變片之間的間隙不能太大也不能太小，觸點環與觸點之間的間隙也不能太大，同時觸點具有彈性，且勁度系數不大，觸點環與觸點之間的間隙小于壓力環與環形壓力應變片之間的間隙，保證測到風速的時候也能測到風向。

5 電路圖的設計（圖3）

6 兩觸點間的信號處理

觸點環是觸碰觸點導通電路進行工作的，但是在觸碰觸點的時候會發生兩種情況，第一種就是觸點環和一個觸點接觸，單片機則根據觸電的地址判斷風向；第二種就是觸點環同時觸碰到兩個相鄰的觸點，觸點環在兩者之間，這時候系統就會算這兩個觸點的地址對應方位角的中間值。

7 設備分類

搖桿式風速風向儀主要針對風力發電機，但是對于戶外測風人員來說也需要一個好用的儀器，所以把風速風向儀分成了兩類，一類是便攜式的，測風人員在戶外使用型的；另一類是固定式的，主要安裝在風力發電機上。

兩者的區別如表 1所示：

便攜式搖桿式風速風向儀液晶顯示屏與單片機連接，輸出即時風速和風向信息。指南針是為了定位當地的方位角，給單片機一個參考信號，將風速風向儀水平旋轉直到指南針指向S極時，此時的風向就是風的實際風向。表面的太陽能電池將太陽能轉化成電能，供給風速風向儀的電路的電能消耗。可充電電池將太陽能電池所產生的電存儲起來，供給風速風向儀的電路的電能消耗。

固定式搖桿式風速風向儀的四個地腳螺栓用于調平儀器的水平狀態，信號輸出采用國家標準的信號通信協議與波特率。

8 優勢

球形鉸鏈作為旋轉體，相比于風杯式風速風向儀沒有非常強烈的旋轉，延長了使用壽命。將測風速大小與測風速方向融為一體，與風杯式風速風向儀相比，減小了體積。采用成熟的單片微機作為信號處理核心，不采用像超聲波風速風向儀等復雜的技術，降低了成本，減少了故障發生率，總體而言，具有更高的性價比。

參考文獻：

[1]楊洪興.光伏建筑一體化工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2012，3.

[2]高峰.單片微型計算機原理與接口技術[M].北京：科學出版社，2013，6.

[3]周康，辛曉帥.采用直接時差法的無線超聲波風速風向儀設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2011（12）.

[4]劉金鴿，宋壽鵬，馬曉昆.基于Boost原理的脈沖超聲發射電路設計[J].傳感器與微系統，2011（08）.