一種基于空間擺的機械式二維風速風向傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種環境監測傳感器，特別是機械式風速風向傳感器裝置。
【背景技術】
[0002]風速風向傳感器已被大量應用在氣象、環保、工農業生產以及野外科考等行業，特別是對于風力發電行業而言，更是具有不可缺少和替代的作用。目前已有的測量風速風向技術主要包括以下三種:采用風杯和風向標的機械旋轉式測量法；超聲波測量法;MEMS芯片測量法。
[0003]采用風杯和風向標的機械旋轉式傳感器，由于存在轉動慣性，若風向和風速傳感器的啟動風速不同時，易造成錯誤的測量結果；再加上風的湍流特征，其測量結果與實際的風矢量之間有較大的差異。此種形式的傳感器，轉動部件易磨損，體積較大，需要經常維護，且儀器支架和安裝支架對測量精度有著很大的影響。同時，機械式旋轉式測量還存在啟動風速，低于啟動值的微風將無法測量。
[0004]超聲波式測量主要有時差法、多普勒法、渦街法和相關法等測量方法。時差法最為常見，其原理為:在平靜空氣中，聲波的傳播速度會被空氣流動所改變。如果風向和聲波的傳播方向相同，就會增大聲波的傳播速度，反之則會減小聲波的速度。利用超聲波測風克服了機械式風速風向儀的上述缺點，沒有了機械活動支架，不存在機械磨損、阻塞、冰凍等問題，也沒有“機械慣性”，理論上可以測量的風速范圍下限為零，不存在啟動風速，風速上限可以根據傳感器間距進行調整。但該測量方式至少需要兩組超聲波換能器，價格是機械式測量法的幾倍甚至幾十倍。
[0005]采用MEMS芯片的測量法是最近發展出來的，通過在圓柱體上打兩個相互正交的通孔，在每個孔的中間放置一個MEMS風速傳感器芯片，即可綜合每個芯片測量到的數據計算出實時的風速和風向。該測量法首先需要建立理論模型以指出其最優結構參數，但氣流通路通常會過于復雜，要根據流體力學原理對圓柱體繞流問題進行數學建模和理論分析，設計制作復雜度和生產成本都較高。
[0006]綜上所述，設計出一種安裝使用方便、易于維護甚至免維護、可靠性高且成本較低的風速風向傳感器是一個急需解決的問題。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的是提供一種風速風向傳感器。
[0008]本實用新型的組成:包括三個圓環C1-C3 ;連桿:L1-L9 ;空心球BI ;圓盤:P1 ;兩個霍爾角度傳感器:H1、H2和配重塊:BW。
[0009]四根等長連桿L1-L4沿圓周均布將圓環Cl和圓環C2連為一個圓臺形，構成支架，圓環Cl半徑大于圓環C2半徑，Cl位于下方，C2位于上方。
[0010]圓環C3為圓環C2的內環，由位于同一直線上的等長連桿L6、L7由圓環C 3外圓周連接到圓環C2，連桿L6與連桿LI的端點在圓環C2交于一點，連桿L6相對圓環C2可轉動。連桿L7與連桿L2的端點在圓環C2交于一點，連桿L7相對圓環C2可轉動。圓環C3、連桿L6和連桿L7構成一個整體，為空間擺的外旋轉模塊(以下簡稱外模塊)。
[0011]空心球BI，連桿L5、L8、L9和圓盤Pl構成一個整體，為空間擺的內旋轉模塊(以下簡稱內模塊)。圓盤Pl半徑小于圓環C3，圓盤P1、圓環C3和圓環C2的圓心重合于同一空間點，位于同一直線上的等長連桿L8、連桿L9將圓盤PI連接至圓環C3，連桿L8、連桿L9所在直線與連桿L6、連桿L7所在直線正交于圓盤Pl的圓心。連桿L5 —端與圓盤Pl圓心相連，一端與空心球BI表面一點相連，其中連桿L5即垂直于圓盤Pl所在平面，同時也是空心球BI的外法線方向。空心球BI位于圓環Cl和圓環C2之間。以連桿L8、連桿L9與圓環C3的交點之間連線為軸，內模塊可相對外模塊轉動。
[0012]以圓環C2所在平面為水平面，建立笛卡爾三維空間坐標系:以圓盤Pl圓心為原點，沿連桿L6方向為X軸，指示北方(N);俯視圓環C2 (即視線由圓環C2指向圓環Cl)，將X軸順時針旋轉90度為y軸，指示東方(E);按右手螺旋法則定義z軸(即圓環C2的圓心指向圓環Cl的圓心)。
[0013]霍爾角度傳感器Hl安裝在連桿L6與連桿LI的交點處；霍爾角度傳感器H2安裝在連桿L8與圓環C3的交點處；配重塊BW與霍爾角度傳感器H2等重，安裝在連桿L9與圓環C3的交點處。
[0014]當空心球BI受風力驅動，外模塊相對支架旋轉，霍爾角度傳感器Hl測得的旋轉角度為α ;內模塊相對外模塊旋轉，霍爾角度傳感器Η2測得的旋轉角度為β，由α、β、連桿L5的幾何尺寸和材料密度、空心球BI的幾何尺寸和材料密度即可計算出風速風向數值。
[0015]本實用新型結構簡單，實施方便，相對已有的風速風力傳感器而言，減少了風杯和風向標式機械旋轉測量法中的旋轉慣性部件，提高了工作可靠性和使用壽命；同時相對超聲波測量法的成本大大降低，更適合于大規模推廣。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型風速風向傳感器的系統結構圖；
[0017]圖2是風速計算物理模型圖。
【具體實施方式】
[0018]本實用新型的機械結構參考圖1制作加工與裝配。
[0019]本實用新型的組成:包括三個圓環C1-C3 ;連桿L1-L9 ;空心球BI ;圓盤Pl ;兩個霍爾角度傳感器:Η1、Η2和配重塊BW。
[0020]四根等長連桿L1-L4沿圓周均布將圓環Cl和圓環C2連為一個圓臺形，構成支架，圓環Cl半徑大于圓環C2半徑，Cl位于下方，C2位于上方。
[0021]圓環C3為圓環C2的內環，由位于同一直線上的等長連桿L6、L7由圓環C3連接到圓環C2，連桿L6與連桿LI的端點在圓環C2交于一點，連桿L6相對圓環C2可轉動。連桿L7與連桿L2的端點在圓環C2交于一點，連桿L7相對圓環C2可轉動。圓環C3、連桿L6和連桿L7構成一個整體，為空間擺的外旋轉模塊(以下簡稱外模塊)。
[0022]空心球BI，連桿L5、L8、L9和圓盤Pl構成一個整體，為空間擺的內旋轉模塊(以下簡稱內模塊)。圓盤Pl半徑小于圓環C3，圓盤P1、圓環C3和圓環C2的圓心重合于同一空間點，位于同一直線上的等長連桿L8、連桿L9將圓盤PI連接至圓環C3，連桿L8、連桿L9所在直線與連桿L6、連桿L7所在直線正交于圓盤Pl的圓心。連桿L5 —端與圓盤Pl圓心相連，一端與空心球BI表面一點相連，其中連桿L5即垂直于圓盤Pl所在平面，同時也是空心球BI的外法線方向。空心球BI位于圓環Cl和圓環C2之間。以連桿L8、連桿L9與圓環C3的交點之間連線為軸，內模塊可相對外模塊轉動。
[0023]以圓環C2所在平面為水平面，建立笛卡爾三維空間坐標系:以圓盤Pl圓心為原點，沿連桿L6方向為X軸，指示北方(N);俯視圓環C2 (即視線由圓環C2指向圓環Cl)，將X軸順時針旋轉90度為y軸，指示東方(E);按右手螺旋法則定義z軸(即圓環C2的圓心指向圓環Cl的圓心)。
[0024]霍爾角度傳感器Hl安裝在連桿L6與連桿LI的交點處；霍爾角度傳感器H2安裝在連桿L8與圓環C3的交點處；配重塊BW與霍爾角度傳感器H2等重，安裝在連桿L9與圓環C3的交點的交界處。
[0025]當空心球BI受風力驅動，外模塊相對支架旋轉，霍爾角度傳感器Hl測得的旋轉角度為α ;內模塊相對外模塊旋轉，霍爾角度傳感器Η2測得的旋轉角度為β，由α、β、連桿L5的幾何尺寸和材料密度、空心球BI的幾何尺寸和材料密度即可計算出風速風向數值。
[0026]安裝時使圓環C2處于水平狀態，連桿L6指向北方。
[0027]根據空間幾何原理，利用霍爾角度傳感器Η1、Η2測得的旋轉角度α、β可計算出空心球BI在xy平面的投影方位，即可得此時的風向；同時圖2中Θ的值也可根據α、β計算得到。
[0028]參考圖2，由連桿L5的材料和幾何尺寸以及空心球BI的材料和幾何尺寸，可計算得到連桿L5與空心球BI聯合體的重心c的位置及其總重力G ;根據固體力學原理，可計算得到風力Fw的大小，再結合風速風力的相互關系，由Fw與BI外半徑R可推導出此時的風速值。
【主權項】
1.一種基于空間擺的機械式二維風速風向傳感器，其特征在于:包括三個圓環C1-C3，九根連桿L1-L9，空心球BI，圓盤Pl，兩個霍爾角度傳感器Hl、H2和配重塊BW ； 四根等長連桿L1-L4沿圓周均布將圓環Cl和圓環C2連為一個圓臺形，構成支架，圓環Cl半徑大于圓環C2半徑，Cl位于下方，C2位于上方； 圓環C3為圓環C2的內環，由位于同一直線上的等長連桿L6、L7由圓環C3外圓周連接到圓環C2，連桿L6與連桿LI的端點在圓環C2交于一點，連桿L6相對圓環C2可轉動，連桿L7與連桿L2的端點在圓環C2交于一點，連桿L7相對圓環C2可轉動；圓環C3、連桿L6和連桿L7構成一個整體，為空間擺的外旋轉模塊，簡稱外模塊； 空心球BI，三根連桿L5、L8、L9和圓盤Pl構成一個整體，為空間擺的內旋轉模塊，圓盤Pl半徑小于圓環C3半徑，圓盤P1、圓環C3和圓環C2的圓心重合，位于同一直線上的等長連桿L8、連桿L9將圓盤Pl連接至圓環C3，連桿L8、連桿L9所在直線與連桿L6、連桿L7所在直線正交于圓盤Pl的圓心；連桿L5—端與圓盤Pl圓心相連，一端與空心球BI表面一點相連，其中連桿L5既垂直于圓盤Pl所在平面，同時也是空心球BI的外法線方向；空心球BI位于圓環Cl和圓環C2之間；以連桿L8、連桿L9與圓環C3的交點之間連線為軸，內模塊可相對外模塊轉動； 霍爾角度傳感器Hl安裝在連桿L6與連桿LI的交點處；霍爾角度傳感器H2安裝在連桿L8與圓環C3的交點處；配重塊BW與霍爾角度傳感器H2等重，安裝在連桿L9與圓環C3的交點處。
【專利摘要】一種基于空間擺的機械式二維風速風向傳感器，本實用新型包括三個圓環C1-C3；九根連桿L1-L9；空心球B1；圓盤P1；兩個霍爾角度傳感器H1、H2和配重塊BW。四根連桿L1-L4將圓環C1和圓環C2連為一個圓臺形，構成支架；圓環C3為圓環C2的內環，連桿L6、L7由圓環C3外沿連接到圓環C2；空心球B1，三根連桿L5、L8、L9和圓盤P1構成一個整體；圓盤P1半徑小于圓環C3半徑，圓盤P1、圓環C3和圓環C2的圓心重合，位于同一直線上的連桿L8、L9將圓盤P1連接至圓環C3。本實用新型結構簡單，實施方便，減少了風杯和風向標式機械旋轉測量法中的旋轉慣性部件，提高了工作可靠性和使用壽命。
【IPC分類】G01P5-02, G01P13-02
【公開號】CN204575675
【申請號】CN201520319395
【發明人】李尹
【申請人】中南大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月18日