一种旗摆式风向风速测量仪的制作方法

本发明属风力测量技术领域，具体涉及一种旗摆式风向风速测量仪。

背景技术：

风向风速测量技术在气象、民航、公路与桥梁及采矿等行业都有广泛的应用需求。目前，用于风向风速测量的新型传感器、数据采集与处理技术等都取得了长足的发展，其中便携式数字式风速测量仪在工业生产中已获得广泛的实际应用。然而，野外自然环境中风向风速测量方面还有一些急需解决的关键问题，如数据采集、处理及持续远程传输的能量供应问题，测量系统的低风速启动问题，等等。

技术实现要素：

本发明提出一种旗摆式风向风速测量仪，本发明采用的实施方案是：主体是由上壁、下壁、前壁及后壁构成的方筒状结构，下壁下方设有半轴，半轴靠近主体左侧；上壁上方经螺钉安装有光伏电池片；下壁上方经螺钉和压环安装有一组传感器、经垫圈安装有电路板、经螺钉安装有壳体；传感器位于以半轴轴心为圆心的同一圆周上且均布，传感器由镍基板与压电膜粘接而成，压电膜置于镍基板上方，压电膜的直径与镍基板可弯曲部分的直径之比为0.8；电路板上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统，电路板和传感器置于壳体与下壁构成的密闭腔体内；半轴经轴承、垫片及螺母安装在底座的安装板上，安装板上镶嵌有两块磁铁，磁铁中心与传感器中心位于同一圆周上，磁铁对称安装在半轴的两侧。

前壁和后壁间设有两根横梁，横梁设置在前壁和后壁的右侧，两根横梁上经带通流槽的压板和螺钉都安装有俘能振子；前壁和后壁外侧都经压块及螺钉安装有传感振子、都经压条和螺钉安装有旗帆，传感振子沿前壁或后壁的左边缘固定、旗帆沿前壁或后壁的右边缘固定；俘能振子和传感振子均为由基板和压电片粘接而成的预弯结构，压电片置于基板外凸的一侧；俘能振子的压电片靠近横梁安装，传感振子的压电片靠近前壁或后壁安装；俘能振子、传感振子、光伏电池片及传感器经不同的导线组与电路板连接。

当工作中环境的风向及风速变化时，旗帆受风力作用并将带动主体、传感器、传感振子及俘能振子绕半轴转动，从而实现风速与风向的自动测量，过程如下：

旗帆带动主体转动时，确保了风从主体左侧吹向右侧，此时俘能振子和传感振子的受风面积都最大；风吹过俘能振子和传感振子后便会在其后面产生漩涡，漩涡的连续生成与脱落使得俘能振子及传感振子前后的风压发生变化，从而使俘能振子和传感振子产生往复的弯曲变形并将机械能转换成电能；其它条件相同时，俘能振子及传感振子的输出电压都与风速呈一定的线性关系，故俘能振子和传感振子都具有发电和风速测量的双重作用，但因二者安装的方式不同，其发电能力及输出电压与风速的关系不同，本发明将俘能振子所生成的电能转换处理后主要用于大功率信息发射，传感振子生成的电能经转换处理后用于表征风速，即v＝λvvg或v＝λffl/[stsin(q’)]，其中λv、λf分别为根据电压计算风速及根据频率计算风速时的修正系统，vg、f分别为传感振子的输出电压及所输出电压的频率，l、q’为传感振子的弦线长度和安装角，st＝0.145～0.22为与结构及流体相关的修正系数。

旗帆带动主体转动时，置于主体上的各传感器与磁铁的位置发生变化，从而使各传感器上镍基板的变形量及压电膜上的电压信号不同，与磁铁距离近的传感器d的电压信号强、远的传感器电压信号弱或无电压信号，故可根据各传感器电压信号的强弱及有无判断风向。

本发明中，为提高俘能振子的发电能力和传感振子的测量精度，俘能振子的安装角为q＝20～40°，传感振子的安装角为q’＝120～150°，安装角q和q’是指俘能振子或传感振子弦线与风向间的夹角，弦线是指俘能振子或传感振子自由端与固定端的连线；为使俘能振子具有最大的发电能力并避免压电片因制作过程中拉应力过大而损坏，压电片凸面上的半径最小值为其中h为俘能振子或传感振子的厚度，e1、e2分别为基板和压电片的弹性模量，g31、t^*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。

本发明中，光伏电池片用于光能采集与存储，以维护长期无风时测量仪系统的微能量供应。

优势与特色：总体结构简单、启动风速低，所需能量自给、无需化学电池和铺设电缆。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中测量仪的结构示意图；

图2是图1俯视图；

图3是图1的左视图；

图4是图1的i部视图；

图5是安装角不同时压电振子输出电压与风速的关系曲线；

图6是输出电压与安装角度的关系曲线。

具体实施方式

主体a是由上壁a1、下壁a2、前壁a3和后壁a4构成的方筒状结构，下壁a2的下方设有半轴a5，半轴a5靠近主体a的左侧；上壁a1的上方经螺钉安装有光伏电池片b；下壁a2的上方经螺钉和压环c安装有一组传感器d、经垫圈e安装有电路板f、经螺钉安装有壳体g；传感器d位于以半轴a5轴心为圆心的同一圆周上且均布，传感器d由镍基板d1与压电膜d2粘接而成，压电膜d2置于镍基板d1的上方，压电膜d2的直径与镍基板d1可弯曲部分的直径之比为0.8；电路板f上设有能量转换电路、运算处理电路与信息发射系统，电路板f和传感器d置于壳体g与下壁a2构成的密闭腔体内；下壁a2下方的半轴a5经轴承h、垫片i及螺母j安装在底座k的安装板k1上，安装板k1上镶嵌有两块磁铁m，两块磁铁m的中心与传感器d的中心位于同一圆周上，两块磁铁m对称安装在半轴a5的两侧。

前壁a3和后壁a4之间设有两根横梁a6，横梁a6设置在前壁a3和后壁a4的右侧，两根横梁a6上经带通流槽的压板n和螺钉安装有俘能振子p；前壁a3和后壁a4的外侧都经压块s及螺钉安装有传感振子p’、都经压条q和螺钉安装有旗帆r，传感振子p’沿前壁a3或后壁a4的左边缘固定、旗帆r沿前壁a3或后壁a4的右边缘固定；俘能振子p和传感振子p’均为由基板p1和压电片p2粘接而成的预弯结构，压电片p2置于基板p1外凸的一侧；俘能振子p的压电片p2靠近横梁a6安装，传感振子p’的压电片p2靠近前壁a3或后壁a4安装；俘能振子p、传感振子p’、光伏电池片b及传感器d经不同的导线组与电路板f连接。

当工作中环境的风向及风速变化时，旗帆r受风力作用并将带动主体a、传感器d、传感振子p’及俘能振子p绕半轴a5转动，从而实现风速与风向的自动测量，过程如下：

旗帆带动主体a转动时，确保了风从主体a左侧吹向右侧，此时俘能振子p和传感振子p’的受风面积都最大；风吹过俘能振子p和传感振子p’后便会在其后面产生漩涡，漩涡的连续生成与脱落使得俘能振子p及传感振子p’前后的风压发生变化，从而使俘能振子p和传感振子p’产生往复的弯曲变形并将机械能转换成电能；其它条件相同时，俘能振子p及传感振子p’的输出电压都与风速呈一定的线性关系，故俘能振子p和传感振子p’都具有发电和风速测量的双重作用，但因二者安装的方式不同，其发电能力及输出电压与风速的关系不同，本发明将俘能振子p所生成的电能转换处理后主要用于大功率信息发射，传感振子p’生成的电能经转换处理后用于表征风速v，即v＝λvvg或v＝λffl/[stsin(q’)]，其中λv、λf分别为根据电压计算风速及根据频率计算风速时的修正系统，vg、f分别为传感振子p’的输出电压及所输出电压的频率，l、q’为传感振子p’的弦线长度和安装角，st＝0.145～0.22为与结构及流体相关的修正系数。

旗帆r带动主体a转动时，置于主体a上的各传感器d与磁铁m的位置发生变化，从而使各传感器d上镍基板d1的变形量及压电膜d2上的电压信号不同，与磁铁m距离近的传感器d的电压信号强、远的传感器d的电压信号弱或无电压信号，故可根据各传感器d电压信号的强弱及有无判断风向。

本发明中，为提高俘能振子p的发电能力和传感振子p’的测量精度，俘能振子p的安装角为q＝20～40°，传感振子p’的安装角为q’＝120～150°，安装角q和q’是指俘能振子p或传感振子p’的弦线与风向间的夹角，弦线是指俘能振子p或传感振子p’自由端与固定端的连线；为使俘能振子p具有最大的发电能力并避免压电片p2因制作过程中拉应力过大而损坏，压电片p2凸面上的半径最小值为其中h为俘能振子p或传感振子p’的厚度，e1、e2分别为基板p1和压电片p2的弹性模量，g31、t^*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。

本发明中，光伏电池片b用于光能采集与存储，以维护长期无风时测量仪系统的微能量供应。