一种基于空间摆的机械式二维风速风向传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本涉发明发明及一种环境监测传感器，特别是机械式风速风向传感器装置。
【背景技术】
[0002]风速风向传感器已被大量应用在气象、环保、工农业生产以及野外科考等行业，特别是对于风力发电行业而言，更是具有不可缺少和替代的作用。目前已有的测量风速风向技术主要包括以下三种:采用风杯和风向标的机械旋转式测量法；超声波测量法;MEMS芯片测量法。
[0003]采用风杯和风向标的机械旋转式传感器，由于存在转动惯性，若风向和风速传感器的启动风速不同时，易造成错误的测量结果；再加上风的湍流特征，其测量结果与实际的风矢量之间有较大的差异。此种形式的传感器，转动部件易磨损，体积较大，需要经常维护，且仪器支架和安装支架对测量精度有着很大的影响。同时，机械式旋转式测量还存在启动风速，低于启动值的微风将无法测量。
[0004]超声波式测量主要有时差法、多普勒法、涡街法和相关法等测量方法。时差法最为常见，其原理为:在平静空气中，声波的传播速度会被空气流动所改变。如果风向和声波的传播方向相同，就会增大声波的传播速度，反之则会减小声波的速度。利用超声波测风克服了机械式风速风向仪的上述缺点，没有了机械活动支架，不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，也没有“机械惯性”，理论上可以测量的风速范围下限为零，不存在启动风速，风速上限可以根据传感器间距进行调整。但该测量方式至少需要两组超声波换能器，价格是机械式测量法的几倍甚至几十倍。
[0005]采用MEMS芯片的测量法是最近发展出来的，通过在圆柱体上打两个相互正交的通孔，在每个孔的中间放置一个MEMS风速传感器芯片，即可综合每个芯片测量到的数据计算出实时的风速和风向。该测量法首先需要建立理论模型以指出其最优结构参数，但气流通路通常会过于复杂，要根据流体力学原理对圆柱体绕流问题进行数学建模和理论分析，设计制作复杂度和生产成本都较高。
[0006]综上所述，设计出一种安装使用方便、易于维护甚至免维护、可靠性高且成本较低的风速风向传感器是一个急需解决的问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种风速风向传感器。
[0008]本发明的组成:包括三个圆环C1-C3 ;连杆:L1-L9 ;空心球BI ;圆盘:P1 ;两个霍尔角度传感器:H1、H2和配重块:BW。
[0009]四根等长连杆L1-L4沿圆周均布将圆环Cl和圆环C2连为一个圆台形，构成支架，圆环Cl半径大于圆环C2半径，Cl位于下方，C2位于上方。
[0010]圆环C3为圆环C2的内环，由位于同一直线上的等长连杆L6、L7由圆环C 3外圆周连接到圆环C2，连杆L6与连杆LI的端点在圆环C2交于一点，连杆L6相对圆环C2可转动。连杆L7与连杆L2的端点在圆环C2交于一点，连杆L7相对圆环C2可转动。圆环C3、连杆L6和连杆L7构成一个整体，为空间摆的外旋转模块(以下简称外模块)。
[0011]空心球BI，连杆L5、L8、L9和圆盘Pl构成一个整体，为空间摆的内旋转模块(以下简称内模块)。圆盘Pl半径小于圆环C3，圆盘P1、圆环C3和圆环C2的圆心重合于同一空间点，位于同一直线上的等长连杆L8、连杆L9将圆盘PI连接至圆环C3，连杆L8、连杆L9所在直线与连杆L6、连杆L7所在直线正交于圆盘Pl的圆心。连杆L5 —端与圆盘Pl圆心相连，一端与空心球BI表面一点相连，其中连杆L5即垂直于圆盘Pl所在平面，同时也是空心球BI的外法线方向。空心球BI位于圆环Cl和圆环C2之间。以连杆L8、连杆L9与圆环C3的交点之间连线为轴，内模块可相对外模块转动。
[0012]以圆环C2所在平面为水平面，建立笛卡尔三维空间坐标系:以圆盘Pl圆心为原点，沿连杆L6方向为X轴，指示北方(N);俯视圆环C2 (即视线由圆环C2指向圆环Cl)，将X轴顺时针旋转90度为y轴，指示东方(E);按右手螺旋法则定义z轴(即圆环C2的圆心指向圆环Cl的圆心)。
[0013]霍尔角度传感器Hl安装在连杆L6与连杆LI的交点处；霍尔角度传感器H2安装在连杆L8与圆环C3的交点处；配重块BW与霍尔角度传感器H2等重，安装在连杆L9与圆环C3的交点处。
[0014]当空心球BI受风力驱动，外模块相对支架旋转，霍尔角度传感器Hl测得的旋转角度为α ;内模块相对外模块旋转，霍尔角度传感器Η2测得的旋转角度为β，由α、β、连杆L5的几何尺寸和材料密度、空心球BI的几何尺寸和材料密度即可计算出风速风向数值。
[0015]本发明结构简单，实施方便，相对已有的风速风力传感器而言，减少了风杯和风向标式机械旋转测量法中的旋转惯性部件，提高了工作可靠性和使用寿命；同时相对超声波测量法的成本大大降低，更适合于大规模推广。
【附图说明】
[0016]图1是本发明风速风向传感器的系统结构图；
图2是风速计算物理模型图。
【具体实施方式】
[0017]本发明的机械结构参考图1制作加工与装配。
[0018]本发明的组成:包括三个圆环C1-C3 ;连杆L1-L9 ;空心球BI ;圆盘Pl ;两个霍尔角度传感器:Η1、Η2和配重块BW。
[0019]四根等长连杆L1-L4沿圆周均布将圆环Cl和圆环C2连为一个圆台形，构成支架，圆环Cl半径大于圆环C2半径，Cl位于下方，C2位于上方。
[0020]圆环C3为圆环C2的内环，由位于同一直线上的等长连杆L6、L7由圆环C3连接到圆环C2，连杆L6与连杆LI的端点在圆环C2交于一点，连杆L6相对圆环C2可转动。连杆L7与连杆L2的端点在圆环C2交于一点，连杆L7相对圆环C2可转动。圆环C3、连杆L6和连杆L7构成一个整体，为空间摆的外旋转模块(以下简称外模块)。
[0021]空心球BI，连杆L5、L8、L9和圆盘Pl构成一个整体，为空间摆的内旋转模块(以下简称内模块)。圆盘Pl半径小于圆环C3，圆盘P1、圆环C3和圆环C2的圆心重合于同一空间点，位于同一直线上的等长连杆L8、连杆L9将圆盘PI连接至圆环C3，连杆L8、连杆L9所在直线与连杆L6、连杆L7所在直线正交于圆盘Pl的圆心。连杆L5 —端与圆盘Pl圆心相连，一端与空心球BI表面一点相连，其中连杆L5即垂直于圆盘Pl所在平面，同时也是空心球BI的外法线方向。空心球BI位于圆环Cl和圆环C2之间。以连杆L8、连杆L9与圆环C3的交点之间连线为轴，内模块可相对外模块转动。
[0022]以圆环C2所在平面为水平面，建立笛卡尔三维空间坐标系:以圆盘Pl圆心为原点，沿连杆L6方向为X轴，指示北方(N);俯视圆环C2 (即视线由圆环C2指向圆环Cl)，将X轴顺时针旋转90度为y轴，指示东方(E);按右手螺旋法则定义z轴(即圆环C2的圆心指向圆环Cl的圆心)。
[0023]霍尔角度传感器Hl安装在连杆L6与连杆LI的交点处；霍尔角度传感器H2安装在连杆L8与圆环C3的交点处；配重块BW与霍尔角度传感器H2等重，安装在连杆L9与圆环C3的交点的交界处。
[0024]当空心球BI受风力驱动，外模块相对支架旋转，霍尔角度传感器Hl测得的旋转角度为α ;内模块相对外模块旋转，霍尔角度传感器Η2测得的旋转角度为β，由α、β、连杆L5的几何尺寸和材料密度、空心球BI的几何尺寸和材料密度即可计算出风速风向数值。
[0025]安装时使圆环C2处于水平状态，连杆L6指向北方。
[0026]根据空间几何原理，利用霍尔角度传感器Η1、Η2测得的旋转角度α、β可计算出空心球BI在xy平面的投影方位，即可得此时的风向；同时图2中Θ的值也可根据α、β计算得到。
[0027]参考图2，由连杆L5的材料和几何尺寸以及空心球BI的材料和几何尺寸，可计算得到连杆L5与空心球BI联合体的重心c的位置及其总重力G ;根据固体力学原理，可计算得到风力Fw的大小，再结合风速风力的相互关系，由Fw与BI外半径R可推导出此时的风速值。
【主权项】
1.一种基于空间摆的机械式二维风速风向传感器，其特征在于:包括三个圆环C1-C3，九根连杆L1-L9，空心球BI，圆盘Pl，两个霍尔角度传感器Hl、H2和配重块BW ；四根等长连杆L1-L4沿圆周均布将圆环Cl和圆环C2连为一个圆台形，构成支架，圆环Cl半径大于圆环C2半径，Cl位于下方，C2位于上方； 圆环C3为圆环C2的内环，由位于同一直线上的等长连杆L6、L7由圆环C3外圆周连接到圆环C2，连杆L6与连杆LI的端点在圆环C2交于一点，连杆L6相对圆环C2可转动，连杆L7与连杆L2的端点在圆环C2交于一点，连杆L7相对圆环C2可转动；圆环C3、连杆L6和连杆L7构成一个整体，为空间摆的外旋转模块，简称外模块； 空心球BI，三根连杆L5、L8、L9和圆盘Pl构成一个整体，为空间摆的内旋转模块，圆盘Pl半径小于圆环C3半径，圆盘P1、圆环C3和圆环C2的圆心重合，位于同一直线上的等长连杆L8、连杆L9将圆盘Pl连接至圆环C3，连杆L8、连杆L9所在直线与连杆L6、连杆L7所在直线正交于圆盘Pl的圆心；连杆L5—端与圆盘Pl圆心相连，一端与空心球BI表面一点相连，其中连杆L5既垂直于圆盘Pl所在平面，同时也是空心球BI的外法线方向；空心球BI位于圆环Cl和圆环C2之间；以连杆L8、连杆L9与圆环C3的交点之间连线为轴，内模块可相对外模块转动； 霍尔角度传感器Hl安装在连杆L6与连杆LI的交点处；霍尔角度传感器H2安装在连杆L8与圆环C3的交点处；配重块BW与霍尔角度传感器H2等重，安装在连杆L9与圆环C3的交点处。
【专利摘要】一种基于空间摆的机械式二维风速风向传感器，本发明包括三个圆环C1-C3；九根连杆L1-L9；空心球B1；圆盘P1；两个霍尔角度传感器H1、H2和配重块BW。四根连杆L1-L4将圆环C1和圆环C2连为一个圆台形，构成支架；圆环C3为圆环C2的内环，连杆L6、L7由圆环C3外沿连接到圆环C2；空心球B1，三根连杆L5、L8、L9和圆盘P1构成一个整体；圆盘P1半径小于圆环C3半径，圆盘P1、圆环C3和圆环C2的圆心重合，位于同一直线上的连杆L8、L9将圆盘P1连接至圆环C3。本发明结构简单，实施方便，减少了风杯和风向标式机械旋转测量法中的旋转惯性部件，提高了工作可靠性和使用寿命。
【IPC分类】G01P5-02, G01P13-02
【公开号】CN104820108
【申请号】CN201510252206
【发明人】李尹
【申请人】中南大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月18日