一种风速风向的测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术提供一种风速风向的测量系统，包括表面光滑的球壳，所述球壳上均匀开设有不少于6个测压孔，每个测压孔内侧均设置有一个气压传感器；所述气压传感器与其对应测压孔之间密封式连接，隔绝测压孔与球壳内腔。采用集成式，球面均布式传感系统，通过测试处于空气流场中的球体表面不同点的压强分布的技术，实现对风速和风向的准确判断。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种集成式风速和风向测试的方法，属于高性能元件和设备制造的技 术领域。
技术介绍
风速和风向的测试或者测量是与气象，交通，农业等领域密切相关的课题。常规 的，目前市场上可见的测试风速和风向的方法有很多种，比如热丝法，也即使用一根发热的 细丝作为敏感元件，通过感知其在不同风速下散热情况的差别来判断风速的大小。由于其 散热情况与环境温度也是相关的，需要考虑环境温度的修正后才能获得比较准确的风速大 小，而其对风向的判断能力比较差；旋转测风碗或者测风杯的方法。一般是通过三个测风碗 的转动速度判定风速的大小。这种方法一般需要结合风向标来判定风向；另外还有微机电 传感器形式的MEMS测风芯片的方法，其也是利用空气流动带走热量的方法来判断风力和 风向。 以上的几种方法虽然都可以给出风速和风向，但是，都基于一个前提假设，也即空 气的流动方向平行于测试的方向。常规而言，这一方向就是平行于测量处的海平面方向。因 此，风速测量系统的安装也需要依据这一标准进行。如果其安装的不正确，通常只能测到风 速的分量。另外，对于类似于MEMS测风芯片的方法，由于需要将芯片固定安装在基座上，基 座的形状和尺寸也会对空气的流动产生扰动并干扰测量结果。常规的基座一般采用平行的 上下盘然后两者之间通过细的圆柱形支柱连接的方式，传感器则置于平行的上下盘之间。 这一几何结构可能导致以下几个方面的干扰：1)支柱会对空气流动产生扰动，扰动比较小 的时候可以忽略，但是在风速比较大的时候可能带来较大干扰，影响测量结果；2)上下平 行盘一般只对严格平行的空气流动形成通道，对于不平行于上下盘的空气流动，测试不能 给出完全准确的结果。此时需要在不同方向安装多个测试站进行测试。3)即使是在严格平 行的空气流动情况下，上下平行板结构本身是一种集风结构，好比是飞机机翼，其存在会 改变风的流动状况，因此可能会对测量结果产生影响.以上三点虽然可以通过软件矫正的 方法进行一些改善，但是由于风向变化产生的干扰难以消除. 实际上，目前所使用的众多测试方法均受到风向变化时的干扰，此时单一的测试 单元可能给出完全不正确的数据.即使使用了多个测量单元，也会因为风向的准确判断的 问题而不能获得良好的结果.特别是有些时候空气流动方向不是与水平面严格平行，比如 存在垂直于水平面的风速分量的情况.因为现在普遍使用的风向测试系统也是都默认了 空气流动是平行于水平面的.所以实际上缺少对真实的风向的准确反映.因此，总体来 说，目前的风速风向测试系统缺少对这一实际情况的系统细致的考量，其获得的结果只能 反映部分的实际情况.如果需要获得全面的，细致的信息，就需要构建一种新的不同的系 统。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种测量风速、风向的测量球及其测量方 法，采用集成的，球面均布式传感系统，通过测试处于空气流场中的球体表面不同点的压强 大小及其分布，实现对风速和风向的准确判断。 本专利技术的技术方案是：一种风速风向的测量系统，包括表面光滑的球壳，所述球壳 上均匀开设有不少于6个测压孔，每个测压孔处设置一个气压传感器；所述气压传感器与 其对应通风孔之间密封式连接，隔绝测压孔与球壳内腔。 进一步的，所述球壳表面、与每个测压孔所在的球半径垂直的圆上至少包括4个 等间隔的测压孔。 进一步的，所述球壳表面开设有6个测压孔，以球心为圆心两两垂直的3个圆的交 点处各开设有1个测压孔。 进一步的，包括一固定式或者可旋转式支撑测量球的支撑杆，所述支撑杆的直径 小于球壳的半径。 进一步的，所述球壳表面制备有一层具备自清洁特性的疏水涂层。 本专利技术还提供利用一种风速风向的测量系统实现的测量方法，具体步骤如下：将 测量球固定于需测量风速风向处，通过分布在球体表面不同位置的测压孔测量其表面的压 强大小和分布状况判断风速的大小和方向。 进一步的，利用一种风速风向的测量系统实现的测量方法，具体步骤如下：将测量 球固定于需测量风速风向处，采集所有气压传感器的压强值，比较并选择出压强相同的气 压传感器，以球心为圆心，以选择出的气压传感器中的任意一个作为圆上一点画圆，若有至 少4个等间隔的气压传感器在该圆上，则可判定风向为垂直于该圆的方向；因为垂直于该 圆的球直径上有2个气压传感器，一个为正压，一个为负压，则风向为正压所对应的气压传 感器所对应的测压孔至球心的方向；同时，利用正压所对应的气压传感器的压强计算得到 风速，辅助计算其他测压孔处的压强所对应的风速进行验证或者修正以及给出测量误差； 若在所有能画的圆上均没有至少4个等间隔的气压传感器，则旋转测量球，实时测量，直至 满足至少4个等间隔的气压传感器在圆上。 进一步的，所述利用正压所对应的气压传感器的压强计算得到风速，具体步骤如 下： 其中：p为测得的正压所对应的气压传感器的压强，p"为正压所对应的气压传感 器处没有球体时候的压强，P〇=为正压所对应的气压传感器处没有球体时候的空气密度， ν〇=为没有球体时候的风速，Cp为压强系数；而Cp=l-9/4cos2(theta)，其中theta是通风 孔偏离风向的角度，因为风向为正压所对应的气压传感器所对应的测压孔至球心的方向， 则theta= 0°已知，即可求得V"。 进一步的，在需测量风速风向处，同时摆设多个不同直径的测量球进行测量。 空气在流经球体表面时会对迎面的球表面施加正压强，而背面的球表面会感受到 负压强，并且同样是在迎面或者背面的球表面，其不同位置感受到的压强大小有差别。而同 样风向的情况下风速越大，其迎风面感受到的压强越大。本专利技术就是依据这一原理进行风 速和风向的测定。在一个光滑的球体表面均匀制备气压测量测压孔，测压孔与球体内部的 气压传感器进行密闭式的连接，避免环境压强的影响。通过测量各个传感器的压强数据与 已建立小球表面的压强分布状况，据此通过数据分析最后确定风速、风向等参数。 其中，可以使用多种气压传感器件。传感器件应该具备测试正压和负压的能力，也 即以环境气压为参考的正压和负压。球体表面的通风孔在满足压强传感器测试要求的条件 下应该取直径尽量小，以避免对被测对象产生干扰。实际使用过程中，如果需要支撑测量 球，支撑测量球的支撑杆在保证强度的情况下应该尽量使用更小直径。 本专利技术的有益效果： 1.能够实现三维情况风速和风向的测量，对于具有垂直于水平面的风速分量的情 况，本测试结构和方法也可以给出准确的测量结果，其适用于各种复杂气象环境条件； 2.测量准确度高。由于使用了简洁的测量几何，排除了众多影响测量结果的因素， 特别是排除了探测器安装辅助结构对空气流动的扰动的影响，保证了测试的准确度； 3.成本较低。相比于使用多套探测单元构建的三维风速风向测试系统，其具有较 好的成本优势； 4.具备一定的防水，防灰尘以及防污、防脏功能。由于本专利技术使用具有光滑表面的 球体，其表面的测压孔具有比较小的直径，水滴不易通过小孔进入球体内部造成器件的损 坏。同时球体表面可以制备具备自清洁特性的疏水涂层，其具备一定的防灰尘以及防污、防 脏功能。 5.可以同时测试海拔高度信息。海拔高度可以直接通过测试压强得到。通过测 量风速，可以推算无风时候的压强，通过压强即可推算海拔高度。也即：假设海平面处压强 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风速风向的测量系统，其特征在于：包括表面光滑的球壳，所述球壳上均匀开设有不少于6个测压孔，每个测压孔处设置一个气压传感器；所述气压传感器与其对应通风孔之间密封式连接，隔绝测压孔与球壳内腔。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万能，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32