双螺旋桨式立体测风传感器的制作方法

本发明属于仪器测量技术领域，具体涉及一种用来测量风速、风向和水平夹角(俯仰角)的传感器。

背景技术：

目前，已有的三维风速风向计，均由三只螺旋桨风速传感器互成90°安装。由于其支撑杆均为固定安装，所以支撑螺旋桨的轴和连杆需尽量细，以保证在任意方向作用的风尽可能不受三个支撑杆的影响，因而该传感器的测量上限风速仅为35米/秒，且无法保证在任意方向的测量值不受三个支撑杆对风阻挡的影响。另外还有一种超声三维风速计，该传感器的测量上限风速也只有30米/秒，实际应用时具有很大的局限性。尤其是这两种传感器安装在运动载体上时均无法测量出真实的风参数。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新型测风传感器，该传感器的尾翼能随风向的变化而不断的改变传感器的方向，使传感器的前部始终处于无任何阻碍物的迎风面上，保证了风速测量值的准确性。使其在运动载体上也可准确测量风速、风向和俯仰角，从而提高了测量上限，扩大了测风传感器的应用领域。

本发明由螺旋桨、四通体、竖轴、尾翼、底座组合构成。其中四通体上分别设有上斜腔、下斜腔、垂直腔三个安装腔体和一个水平尾端，上、下斜腔中分别安装有可作360°旋转的螺旋桨，水平尾端安装有尾翼，竖轴的一端设置在垂直腔内，另一端安装在底座中，从而支撑起传感器的整体。四通体上的两只螺旋桨与水平尾端的中心线成30°～45°的对称安装，且与尾翼在同一纵切面，四通体可绕竖轴作360°旋转。

本发明的螺旋桨包括桨叶、轴、螺母、轴承、衬套、轴承座、磁铁盘。轴的外端连接桨叶，内端通过螺母、轴承、衬套、轴承座分别安装在四通体的上斜腔、下斜腔内，内端头连接磁铁盘。两只安装在四通体上螺旋桨的转速与风速的变化及俯仰角的大小成比例的变化。当风速与水平成俯角时，上部螺旋桨的转速大于下部螺旋桨的转速，成仰角时下部螺旋桨的转速大于上部螺旋桨的转速，成平角时，两只螺旋桨的转速相同。

本发明的竖轴，包括霍尔元件、线圈、电路板、支架、支柱、发光板、光敏板、码筒、光栅、轴承、轴承座、衬套、调整螺母。竖轴的外端连接底座，内端通过轴承、轴承座、衬套、调整螺母安装在四通体的垂直腔内，内端头依次设置有霍尔元件、线圈、电路板、支架、支柱、发光板、光敏板、码筒、光栅。发光板和光敏板固定在支架上，发光板、光敏板通过导线与电路板相连；码筒安装在发光板与光敏板之间，可随尾翼绕竖轴旋转；风向部分的测量是通过安装在四通体竖轴内的光电编码器完成的。

在本发明中，上部螺旋桨的信号转换采用霍尔元件完成，下部螺旋桨的信号转换采用电感线圈完成，当风速变化时，螺旋桨的转速也随着改变，并带动风速轴一起转动，安装在风速轴上的磁铁盘同步旋转，从而通过磁铁盘与霍尔元件和电感线圈的相互作用产生感应信号，然后电路板上的相关电路组合将该感应信号进行放大、滤波、整形、比较后，输入到安装在电路板上的单片机中。俯仰角的测量是通过两个螺旋桨转速的差异，经单片机程序计算得出，如风速为俯角时，上部的螺旋桨的旋转速度将大于下部的螺旋桨的转速，根据矢量解析原理，由单片机可解算出所对应的角度的大小。在任意位置，发光管发出的光信号经过码筒后，由光敏部分将编码信号传送给单片机，该编码信号经单片机计算、对比后，可得出当前位置的风向度数。

本发明的结构简单，可靠性高，最大测量风速可达80米/秒，显著提高了测风传感器的技术性能，解决了单点测量多年存在的老问题，保证了测量数据的一致性。同时拓展了该传感器的应用领域，市场前景极为广阔。

附图说明

附图1为本发明实施例的总体结构示意图

附图2为本发明实施例的具体结构示意图

图中标注：1.螺旋桨2.四通体3.竖轴4.尾翼5.底座

11.桨叶12.轴13.螺母14.轴承15.衬套16.轴承座17.磁铁盘

21.上斜腔22.下斜腔23.垂直腔24.水平尾端

31.霍尔元件32.线圈33.电路板34.支架35.支柱36.发光板37.光敏板38.码筒39.光栅3a.轴承3b.轴承座3c.衬套3d.调整螺母

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例进行具体说明：

参考附图1，本发明实施例由螺旋桨1、四通体2、竖轴3、尾翼4、底座5组合构成。其中四通体2上分别设有上斜腔21、下斜腔22、垂直腔23三个安装腔体和一个水平尾端24，上斜腔21、下斜腔22中分别安装有可作360°旋转的螺旋桨1，水平尾端安装有尾翼4，竖轴3的一端设置在垂直腔内，另一端安装在底座5中，从而支撑起传感器的整体。四通体2上的两只螺旋桨与水平尾端的中心线成45°的对称安装，且与尾翼在同一纵切面，四通体2可绕竖轴3作360°旋转。

参考附图2，本发明实施例的螺旋桨1包括桨叶11、轴12、螺母13、轴承14、衬套15、轴承座16、磁铁盘17；轴12的外端连接桨叶11，内端通过螺母13、轴承14、衬套15、轴承座16分别安装在四通体2的上斜腔21、下斜腔22内，内端头连接磁铁盘17。两只螺旋桨的转速与风速的变化及俯仰角的大小成比例的变化；当风速与水平成俯角时，上部螺旋桨的转速大于下部螺旋桨的转速，成仰角时下部螺旋桨的转速大于上部螺旋桨的转速，成平角时，两只螺旋桨的转速相同。

本发明实施例的竖轴3，包括霍尔元件31、线圈32、电路板33、支架34、支柱35、发光板36、光敏板37、码筒38、光栅39、轴承3a、轴承座3b、衬套3c、调整螺母3d；竖轴3的外端连接底座5，内端通过轴承3a、轴承座3b、衬套3c、调整螺母3d安装在四通体2的垂直腔23内，内端头上依次设置有霍尔元件31、线圈32、电路板33、支架34、支柱35、发光板36、光敏板37、码筒38、光栅39。发光板36和光敏板37固定在支架34上，发光板36、光敏板37通过导线与电路板33相连；码筒38安装在发光板36与光敏板37之间，可随尾翼绕竖轴3旋转；在任意位置，发光管发出的光信号经过码筒后，由光敏部分将编码信号传送给电路板33上的单片机，该编码信号经单片机计算、对比后，得出当前位置的风向度数。

实际工作中，当风速变化时，上、下两只螺旋桨及分别安装在其风速轴上的磁铁盘与之同步旋转。位于上部螺旋桨磁铁盘正下方的霍尔元件，可测量到磁铁盘外沿的磁钢经过时产生的感应信号，并将该感应信号送到安装在电路板上的单片机。位于下部螺旋桨磁铁盘下面的电感线圈，可感应到磁铁盘外沿的磁钢经过时产生的感应信号，并将该感应信号进行放大、滤波、整形、比较后，送到安装在电路板上的单片机。

本发明实施例的电感线圈位于霍尔元件的下部且围绕霍尔元件一周，以确保四通体部分360°旋转时，在任意位置均能检测到下部磁铁盘转动时产生的感应信号，同时上下两只磁铁盘对霍尔元件和电感线圈产生的感应信号相互之间不产生干扰。俯仰角的测量是通过两个螺旋桨转速的差异，经单片机程序计算得出，如风速为俯角时，上部的螺旋桨的旋转速度将大于下部的螺旋桨的转速，根据矢量解析原理，由单片机可解算出所对应的角度的大小。

本发明的实施例的为了将传感器竖轴的直径尽量减小，减少其对风速测量的影响，设计结构上采用了比较适合此安装方式的发光管和光敏管，使发光元件经过码道到达光敏元件形成一个完整且紧密的统一体，在不影响每个码道接受灵敏度的情况下，有效地避免相邻码道之间的串扰。

本发明实施例达到的技术指标为：