一種風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種集成式風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)試的方法，屬于高性能元件和設(shè)備制造的技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)試或者測(cè)量是與氣象，交通，農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域密切相關(guān)的課題。常規(guī) 的，目前市場(chǎng)上可見的測(cè)試風(fēng)速和風(fēng)向的方法有很多種，比如熱絲法，也即使用一根發(fā)熱的 細(xì)絲作為敏感元件，通過感知其在不同風(fēng)速下散熱情況的差別來判斷風(fēng)速的大小。由于其 散熱情況與環(huán)境溫度也是相關(guān)的，需要考慮環(huán)境溫度的修正后才能獲得比較準(zhǔn)確的風(fēng)速大 小，而其對(duì)風(fēng)向的判斷能力比較差；旋轉(zhuǎn)測(cè)風(fēng)碗或者測(cè)風(fēng)杯的方法。一般是通過三個(gè)測(cè)風(fēng)碗 的轉(zhuǎn)動(dòng)速度判定風(fēng)速的大小。這種方法一般需要結(jié)合風(fēng)向標(biāo)來判定風(fēng)向；另外還有微機(jī)電 傳感器形式的MEMS測(cè)風(fēng)芯片的方法，其也是利用空氣流動(dòng)帶走熱量的方法來判斷風(fēng)力和 風(fēng)向。
[0003] 以上的幾種方法雖然都可以給出風(fēng)速和風(fēng)向，但是，都基于一個(gè)前提假設(shè)，也即空 氣的流動(dòng)方向平行于測(cè)試的方向。常規(guī)而言，這一方向就是平行于測(cè)量處的海平面方向。因 此，風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的安裝也需要依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。如果其安裝的不正確，通常只能測(cè)到風(fēng) 速的分量。另外，對(duì)于類似于MEMS測(cè)風(fēng)芯片的方法，由于需要將芯片固定安裝在基座上，基 座的形狀和尺寸也會(huì)對(duì)空氣的流動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)并干擾測(cè)量結(jié)果。常規(guī)的基座一般采用平行的 上下盤然后兩者之間通過細(xì)的圓柱形支柱連接的方式，傳感器則置于平行的上下盤之間。 這一幾何結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致以下幾個(gè)方面的干擾：1)支柱會(huì)對(duì)空氣流動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)比較小 的時(shí)候可以忽略，但是在風(fēng)速比較大的時(shí)候可能帶來較大干擾，影響測(cè)量結(jié)果；2)上下平 行盤一般只對(duì)嚴(yán)格平行的空氣流動(dòng)形成通道，對(duì)于不平行于上下盤的空氣流動(dòng)，測(cè)試不能 給出完全準(zhǔn)確的結(jié)果。此時(shí)需要在不同方向安裝多個(gè)測(cè)試站進(jìn)行測(cè)試。3)即使是在嚴(yán)格平 行的空氣流動(dòng)情況下，上下平行板結(jié)構(gòu)本身是一種集風(fēng)結(jié)構(gòu)，好比是飛機(jī)機(jī)翼，其存在會(huì) 改變風(fēng)的流動(dòng)狀況，因此可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響.以上三點(diǎn)雖然可以通過軟件矯正的 方法進(jìn)行一些改善，但是由于風(fēng)向變化產(chǎn)生的干擾難以消除.
[0004] 實(shí)際上，目前所使用的眾多測(cè)試方法均受到風(fēng)向變化時(shí)的干擾，此時(shí)單一的測(cè)試 單元可能給出完全不正確的數(shù)據(jù).即使使用了多個(gè)測(cè)量單元，也會(huì)因?yàn)轱L(fēng)向的準(zhǔn)確判斷的 問題而不能獲得良好的結(jié)果.特別是有些時(shí)候空氣流動(dòng)方向不是與水平面嚴(yán)格平行，比如 存在垂直于水平面的風(fēng)速分量的情況.因?yàn)楝F(xiàn)在普遍使用的風(fēng)向測(cè)試系統(tǒng)也是都默認(rèn)了 空氣流動(dòng)是平行于水平面的.所以實(shí)際上缺少對(duì)真實(shí)的風(fēng)向的準(zhǔn)確反映.因此，總體來 說，目前的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試系統(tǒng)缺少對(duì)這一實(shí)際情況的系統(tǒng)細(xì)致的考量，其獲得的結(jié)果只能 反映部分的實(shí)際情況.如果需要獲得全面的，細(xì)致的信息，就需要構(gòu)建一種新的不同的系 統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量球及其測(cè)量方 法，采用集成的，球面均布式傳感系統(tǒng)，通過測(cè)試處于空氣流場(chǎng)中的球體表面不同點(diǎn)的壓強(qiáng) 大小及其分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向的準(zhǔn)確判斷。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量系統(tǒng)，包括表面光滑的球殼，所述球殼 上均勻開設(shè)有不少于6個(gè)測(cè)壓孔，每個(gè)測(cè)壓孔處設(shè)置一個(gè)氣壓傳感器；所述氣壓傳感器與 其對(duì)應(yīng)通風(fēng)孔之間密封式連接，隔絕測(cè)壓孔與球殼內(nèi)腔。
[0007] 進(jìn)一步的，所述球殼表面、與每個(gè)測(cè)壓孔所在的球半徑垂直的圓上至少包括4個(gè) 等間隔的測(cè)壓孔。
[0008] 進(jìn)一步的，所述球殼表面開設(shè)有6個(gè)測(cè)壓孔，以球心為圓心兩兩垂直的3個(gè)圓的交 點(diǎn)處各開設(shè)有1個(gè)測(cè)壓孔。
[0009] 進(jìn)一步的，包括一固定式或者可旋轉(zhuǎn)式支撐測(cè)量球的支撐桿，所述支撐桿的直徑 小于球殼的半徑。
[0010] 進(jìn)一步的，所述球殼表面制備有一層具備自清潔特性的疏水涂層。
[0011] 本發(fā)明還提供利用一種風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方法，具體步驟如下：將 測(cè)量球固定于需測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向處，通過分布在球體表面不同位置的測(cè)壓孔測(cè)量其表面的壓 強(qiáng)大小和分布狀況判斷風(fēng)速的大小和方向。
[0012] 進(jìn)一步的，利用一種風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方法，具體步驟如下：將測(cè)量 球固定于需測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向處，采集所有氣壓傳感器的壓強(qiáng)值，比較并選擇出壓強(qiáng)相同的氣 壓傳感器，以球心為圓心，以選擇出的氣壓傳感器中的任意一個(gè)作為圓上一點(diǎn)畫圓，若有至 少4個(gè)等間隔的氣壓傳感器在該圓上，則可判定風(fēng)向?yàn)榇怪庇谠搱A的方向；因?yàn)榇怪庇谠?圓的球直徑上有2個(gè)氣壓傳感器，一個(gè)為正壓，一個(gè)為負(fù)壓，則風(fēng)向?yàn)檎龎核鶎?duì)應(yīng)的氣壓傳 感器所對(duì)應(yīng)的測(cè)壓孔至球心的方向；同時(shí)，利用正壓所對(duì)應(yīng)的氣壓傳感器的壓強(qiáng)計(jì)算得到 風(fēng)速，輔助計(jì)算其他測(cè)壓孔處的壓強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)證或者修正以及給出測(cè)量誤差； 若在所有能畫的圓上均沒有至少4個(gè)等間隔的氣壓傳感器，則旋轉(zhuǎn)測(cè)量球，實(shí)時(shí)測(cè)量，直至 滿足至少4個(gè)等間隔的氣壓傳感器在圓上。
[0013] 進(jìn)一步的，所述利用正壓所對(duì)應(yīng)的氣壓傳感器的壓強(qiáng)計(jì)算得到風(fēng)速，具體步驟如 下：
[0014]
[0015] 其中：p為測(cè)得的正壓所對(duì)應(yīng)的氣壓傳感器的壓強(qiáng)，p"為正壓所對(duì)應(yīng)的氣壓傳感 器處沒有球體時(shí)候的壓強(qiáng)，P〇=為正壓所對(duì)應(yīng)的氣壓傳感器處沒有球體時(shí)候的空氣密度， ν〇=為沒有球體時(shí)候的風(fēng)速，Cp為壓強(qiáng)系數(shù)；而Cp=l-9/4cos2(theta)，其中theta是通風(fēng) 孔偏離風(fēng)向的角度，因?yàn)轱L(fēng)向?yàn)檎龎核鶎?duì)應(yīng)的氣壓傳感器所對(duì)應(yīng)的測(cè)壓孔至球心的方向， 則theta= 0°已知，即可求得V"。
[0016] 進(jìn)一步的，在需測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向處，同時(shí)擺設(shè)多個(gè)不同直徑的測(cè)量球進(jìn)行測(cè)量。
[0017] 空氣在流經(jīng)球體表面時(shí)會(huì)對(duì)迎面的球表面施加正壓強(qiáng)，而背面的球表面會(huì)感受到 負(fù)壓強(qiáng)，并且同樣是在迎面或者背面的球表面，其不同位置感受到的壓強(qiáng)大小有差別。而同 樣風(fēng)向的情況下風(fēng)速越大，其迎風(fēng)面感受到的壓強(qiáng)越大。本發(fā)明就是依據(jù)這一原理進(jìn)行風(fēng) 速和風(fēng)向的測(cè)定。在一個(gè)光滑的球體表面均勻制備氣壓測(cè)量測(cè)壓孔，測(cè)壓孔與球體內(nèi)部的 氣壓傳感器進(jìn)行密閉式的連接，避免環(huán)境壓強(qiáng)的影響。通過測(cè)量各個(gè)傳感器的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)與 已建立小球表面的壓強(qiáng)分布狀況，據(jù)此通過數(shù)據(jù)分析最后確定風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)。
[0018] 其中，可以使用多種氣壓傳感器件。傳感器件應(yīng)該具備測(cè)試正壓和負(fù)壓的能力，也 即以環(huán)境氣壓為參考的正壓和負(fù)壓。球體表面的通風(fēng)孔在滿足壓強(qiáng)傳感器測(cè)試要求的條件 下應(yīng)該取直徑盡量小，以避免對(duì)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生干擾。實(shí)際使用過程中，如果需要支撐測(cè)量 球，支撐測(cè)量球的支撐桿在保證強(qiáng)度的情況下應(yīng)該盡量使用更小直徑。
[0019] 本發(fā)明的有益效果：
[0020] 1.能夠?qū)崿F(xiàn)三維情況風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)量，對(duì)于具有垂直于水平面的風(fēng)速分量的情 況，本測(cè)試結(jié)構(gòu)和方法也可以給出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，其適用于各種復(fù)雜氣象環(huán)境條件；
[0021] 2.測(cè)量準(zhǔn)確度高。由于使用了簡(jiǎn)潔的測(cè)量幾何，排除了眾多影響測(cè)量結(jié)果的因素， 特別是排除了探測(cè)器安裝輔助結(jié)構(gòu)對(duì)空氣流動(dòng)的擾動(dòng)的影響，保證了測(cè)試的準(zhǔn)確度；
[0022] 3.成本較低。相比于使用多套探測(cè)單元構(gòu)建的三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試系統(tǒng)，其具有較 好的成本優(yōu)勢(shì)；
[0023] 4.具備一定的防水，防灰塵以及防污、防臟功能。由于本發(fā)明使用具有光滑表面的 球體，其表面的測(cè)壓孔具有比較小的直徑，水滴不易通過小孔進(jìn)入球體內(nèi)部造成器件的損 壞。同時(shí)球體表面可以制備具備自清潔特性的疏水涂層，其具備一定的防灰塵以及防污、防 臟功能。
[0024] 5.可以同時(shí)測(cè)試海拔高度信息。海拔高度可以直接通過測(cè)試壓強(qiáng)得到。通過測(cè) 量風(fēng)速，可以推算無風(fēng)時(shí)候的壓強(qiáng)，通過壓強(qiáng)即可推算海拔高度。也即：假設(shè)海平面處壓強(qiáng) 為P0,現(xiàn)在測(cè)得某處壓強(qiáng)為P1，則通過兩者的壓強(qiáng)差可以推算海拔高度?；驹硎呛０?越高，氣壓越底。
[0025] 6.可以最大程度的排除由于安裝部件等帶來對(duì)測(cè)試空氣流動(dòng)狀態(tài)的干擾，獲得 準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0026] 圖1、一種風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。其中，A為表面光滑的球殼，為了獲得良 好的防污、防臟效果，球殼的表面可以涂覆防水涂層或進(jìn)行防水處理。B1-B6為6個(gè)壓力傳 感器件的傳感口的位置。
[0027] 圖2、對(duì)應(yīng)于圖一的剖面結(jié)構(gòu)圖。其中，A為球殼，C為球殼內(nèi)的壓力傳感器，其傳 感口與球殼上的測(cè)壓孔D做密封連接，D的位置對(duì)應(yīng)于圖1中的B1-B6。
[0028] 圖3、為了獲得更好的測(cè)試精度，可以增加壓強(qiáng)傳感器的個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)的其在球殼表 面的傳感口的位置應(yīng)該作如圖所示意的對(duì)稱分布。
[0029] 圖4、在風(fēng)速比較小的情況下（或者雷諾數(shù)比較?。諝饬鹘?jīng)球體表面形成的流 線分布狀態(tài)。圖上迎風(fēng)面為正壓，背風(fēng)面為負(fù)壓。
[0030] 圖5、在風(fēng)速比較小的情況下（或者雷諾數(shù)比較小），空氣流經(jīng)球體表面的壓強(qiáng)分 布?？梢钥吹剑谟锌諝饬鲃?dòng)的時(shí)候，球表面不同位置的壓強(qiáng)是