基于差壓原理的風速風向傳感器設計

豐 穎，苗可彬

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

目前，國內煤礦井下用風速傳感器多以超聲波渦街原理為主[1]，當傳感器在高濕、高粉塵環境下使用時，超聲波探頭被水汽、粉塵覆蓋，測量數值下降；同時，超聲波風速傳感器對微小風不敏感[2]，其在低風速段測量性能不理想；此外，單臺超聲波渦街原理的風速傳感器無法實現風速、風向的同時測量[3]。該設計中的風速風向傳感器基于差壓原理，利用皮托管與高精度差壓傳感器作為取壓裝置，單臺傳感器可同時測得風速和風向兩個參數[4-5]，并且硬件電路及軟件算法簡單、可靠，有較強的抗電磁干擾能力。此外，傳感器內置角度傳感器，對風速測量值進行角度補償，使得測試結果更加準確。

1 差壓式風速傳感器測量原理

1.1 取壓裝置工作原理

該設計中的取壓裝置為S型皮托管，如圖1所示[6]。圖中A 管與B 管為對稱結構，A 管與高精度微差壓傳感器的正壓口相連，B 管與高精度微差壓傳感器的負壓口相連。當風流方向為正風時，差壓傳感器測得的值為正壓力值；當風流方向為反風時，差壓傳感器測得的值為負壓力值。因此，可以根據微差壓傳感器輸出值的正負判斷當前所測試的的風流方向[7]。

圖1 取壓裝置

根據伯努利方程式，如果被測介質的密度為ρ，則存在下列關系式：

式中，v為被測介質流速，單位為m/s；P為流體靜壓，單位為Pa；P0為流體總壓，單位為Pa；ρ為流體密度，單位為kg/m3。

式（1）可以變形為：

所以v如式（3）所示：

式中，ΔP可由測得正負壓的微壓差傳感器結合信號處理電路獲得，單位為Pa；ρ為空氣密度，單位為kg/m3，在溫度T與壓力p狀態下空氣密度（kg/m3）為[8]：

式中，p為絕對壓力，單位為MPa；T為熱力學溫度，單位為K，ρ0為標準狀況下的空氣密度，單位為kg/m3。

1.2 差壓信號采集電路

在常溫常壓下，根據式（4）可得空氣密度為：

風速與差壓的關系為：

式中，v為風速，單位為m/s；ΔP為差壓，單位為Pa。為了滿足MT448-2008《礦用風速傳感器》中差壓式風速傳感器量程15 m/s、基本誤差±0.2 m/s 的要求[9]，該設計選用霍尼韋爾生產的型號為SSCDDRN 250LD2A3 的高精度微差壓傳感器采集差壓信號，該傳感器測量范圍為±250 Pa，輸出信號為I2C 數字信號。該傳感器具有CRC 校驗功能，通過校驗可直接濾除采集到的受干擾的數據。

1.3 角度補償

由于安裝環境及固定位置的局限性，風速傳感器的進風口很難與風流方向始終保持一致，從而導致風速值測量的不準確。該設計在風速測量時加入了角度補償算法，在傳感器進風口與風流方向存在角度偏差的情況下，仍可準確測量風速值的大小。

該設計采用GY-25 角度傳感器測量傳感器進風口與風流方向之間的夾角。該傳感器是一款低成本傾斜度模塊，測量范圍為-180°～180°，測量精度為1°，分辨率為0.01°。其工作原理是將加速度傳感器測得的角度與陀螺儀測得的角度進行數據融合，最后得到最優的角度數據[10]。GY-25 角度傳感器可同時測出航向角、俯仰角和橫滾角，如圖2所示，其中沿x軸旋轉的叫橫滾角，沿y軸旋轉的叫航向角，沿z軸旋轉的叫俯仰角。該模塊以串口TTL 電平全雙工方式與控制器或上位機進行通信，輸出波特率為9 600 bps 與115 200 bps，具有連續輸出與詢問輸出兩種方式[11]。該設計中采用9 600 bps，輸出方式選用連續輸出。

圖2 GY-25角度傳感器檢測軸

角度補償示意圖如圖3 所示，使用時，傳感器通常圍繞z軸旋轉，假設傳感器圍繞z軸旋轉θ，那么根據式（7），補償后的風速值為：

圖3 角度補償示意圖

2 風速測量的實現方案

2.1 硬件部分設計

該設計中的風速傳感器由取壓裝置、微控制器、差壓傳感器、角度傳感器、顯示與聲光報警模塊、485 及CAN 總線信號輸出模塊等組成。其中微控制器使用STM32F103 系列單片機，差壓傳感器使用霍尼韋爾生產的SSCDDRN250LD2A3，其與微控制器通過I2C 進行通信，角度傳感器采用GY-25，其與微控制器通過串口通信[12]，硬件原理框圖如圖4所示。

圖4 硬件原理框圖

主控制器采用STM32F103C8T6 系列微控制器。該微控制器是基于ARM Cortex-M3 的CPU，硬件電路設計如圖5 所示[13]。

圖5 硬件電路設計

電源模塊的抗電磁干擾設計電路主要由防浪涌電路實現。防浪涌電路主要包括保險絲、放電管及TVS 管，當電源輸入端出現過壓時，TVS 能以納秒級的響應速度快速吸收電源進線上的尖峰脈沖，從而防止內部元器件的損壞[14]。

數據采集電路的抗電磁干擾設計為在數據線SDA、時鐘線SCL 線上分別串聯電阻Rs2和Rs1，如圖5所示。該電阻可有效抑制總線上的干擾脈沖進入從設備[15]。另外，在布線上將I2C 通信線（SCL、SDA）走線遠離電流較大的驅動電路，I2C 兩條信號線（SDA、SCL）等長度地平行走線，兩邊加地線進行保護，避免臨近層出現高速信號線[15]。

2.2 軟件設計

系統上電后，①STM32F103單片機對自身及角度傳感器GY-25的波特率和采集模式進行配置，完成初始化設置；②開始測量時，微控制器采集差壓信號；③SSCDDRN250LD2A3 高精度微差壓傳感器具有CRC校驗功能，通過校驗直接濾除采集到的錯誤數據；④雖然有效信號的提取在硬件電路部分進行了處理，但也不可避免地引入一定的采集誤差，采用中值濾波、均值濾波等多種軟件濾波相結合的手段，濾去周期性干擾，在保證測量數據實時性的同時提高了測量的穩定性[16-18]；⑤根據步驟④得到的計算值和式（7），計算出風速值；⑥微控制器采集角度信號，并根據式（8）計算出補償后的風速值；⑦判斷風速值是否超過報警閾值，如果是，則驅動報警燈及蜂鳴器進行聲光報警；⑧顯示并將風速值上傳至監控分站。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3 實驗驗證

3.1 基本誤差實驗

實驗一：

為了對該設計中的風速風向傳感器進行基本誤差驗證，采用三臺樣機，選取0.4～15 m/s 段進行實驗，記錄傳感器進風口與風流方向一致的情況下傳感器的測量數據。表1 給出了基本誤差實驗結果。

表1 基本誤差實驗

實驗二：

為驗證加入角度補償有助于提高風速測量的準確性，采用兩組傳感器進行實驗。第一組傳感器進行角度補償，第二組傳感器未進行角度補償。仍選取0.4～15 m/s 段進行對比實驗，放置傳感器時，傳感器的進風口與風流風向存在一定夾角，分別記錄兩組傳感器的測量數據，如表2 所示。

表2 角度補償后測量結果

通過實驗一和實驗二可以看出，1）基于差壓原理的風速風向傳感器在監測風速過程中，當進行角度補償時，無論傳感器的進風口與風流方向是否一致，測量值與標準值的差均不大于±0.2 m/s；2）該傳感器能夠準確判斷出當前的風流方向。

3.2 抗電磁干擾實驗

為驗證該設計的抗電磁干能力，對傳感器進行了擾射頻電磁場輻射抗擾度實驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度實驗和浪涌（沖擊）抗擾度實驗。實驗結果表明，該設計中的傳感器以判據A 通過了輻射4 級、脈沖群4 級、浪涌3 級的EMC 測試。

4 結論

通過實驗驗證可知，基于差壓原理的風速傳感器測量范圍、基本誤差完全滿足行標《MT448-2008礦用風速傳感器》中對基于差壓原理的風速傳感器的要求[5]；該設計加入角度補償后，在傳感器進風口與風流方向不一致的情況下，測量結果仍滿足行標要求；該設計中的抗電磁干擾設計效果良好，傳感器具有較強的抗電磁干擾能力。目前，該設計中的風速風向傳感器已在多個煤礦投入使用，效果良好。