一种海洋浮标监测风传感器的制作方法

本发明属于气流监测
技术领域：
，具体涉及一种海洋浮标监测风传感器。
背景技术：
：风用于表示空气水平流动的大小和方向，是基本的气象要素之一。对地面风的测量通常包括风速和风向的测量。风是矢量，包括大小和方向，风的大小用风速表示，风的来向用风向表示。我国目前使用的风速风向测量仪器主要是杯式风速传感器和风向传感器，对风向和风速的测量依赖两个独立的传感器。该类传感器体积大、具有机械磨损和一定的启动风速，对较小的风无法观测；市场上还有一类基于超声波原理的风传感器，但其成本高，较难维护，易受雨、雪、雹、霜、雾、沙尘等障碍物影响。且我国目前没有针对这超声测风传感器的计量标准。上述传感器主要是针对地面固定点观测使用的风传器，安装前首选找北，以后就不再改变，而且没有考虑海洋潮湿容易腐化等问题。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种体积小、无机械磨损、可自动修订风向的海洋浮标监测风传感器。本发明提供的海洋浮标监测风传感器，采用多个流量传感器组合形成的风速风向传感器，并在传感器中增加了三维陀螺仪，可以获取浮标的方位和位置，从而实现自动修正风向，可做到成本低、体积小，响应快，可同时计算风速风向值，降低环境障碍物对传感器工作的影响。本发明提出的海洋浮标监测量风传感器，包括热式流量传感器、三维陀螺仪、信号调理电路、微处理器、电源模块和无线通信模块；其中，微处理器和热式流量传感器、三维陀螺仪、电源模块以及无线通信模块电气连接；热式流量传感器通过信号调理电路与微处理器进行电气连接。其中：所述热式流量传感器，主要是以flowsensfs5为感应元件(市购)，flowsensfs5包括两个阻值取决于不同温度的铂电阻，它们封装在一个芯片器件上。有着较小面积的低欧姆电阻用作加热器，而其高欧姆电阻器用于测量基准温度。使用电桥电路，两个电阻元件的不同电阻值导致不同加热。加热依赖于所施加的电压值，如果自加热,是通过一个合适的控制器不断地保持，气体流量较高的使电压增加，因此用其原理来测量气体的流量。由于它是的比较小的热式质量流量计，因此该传感器具有快速加热和冷却的反应时间。传感器的测量原理可从0～0.1米/秒至100米/秒。几何结构模型如图2所示。热式流量传感器由传感元件fs5采集风速信号，由于空气流动，带走热量，使得集成在fs5内的rh和rs的阻值变化，采集的电压值也发生变化，再经由信号放大电路把信号进行放大，本发明选用差动放大电路，由三极管bd237的发射级输出电压，由压控电压源型滤波电路对电压进行滤波，使电压的幅值比较稳定，之后再由分压电路中的电阻r3和r6对前段的输出电压进行分压，使其输出电压小于3.3v，而后由微处理器的a/d通道采集。所述热式流量传感器，可以设置4个，对称布置于系统主板的上下左右四个方位，参见图3所示，顺时针方向，依次编号为1、2、3、4。由于监测系统需要在移动过程中测量风向，风向的角度大小通常以地磁场北为基准，而各地的地磁场偏转角度不尽相同，故在移动过程中测量风向时，需要测量地磁场偏转角度值来修正监测系统的风向数据得到真正的风向数据。所述三维陀螺仪，也叫做地磁场偏转角度传感器，本发明采用三轴磁阻式传感器hmc5883l测量地磁场偏转角度，以修正移动过程中测量的风向值。hmc5883l是一种表面贴装的高集成模块，其中包括高分辨的磁阻传感器、信号放大电路、偏差校准电路，从而能使地磁场偏转角度测量精度达到1°～2°。该传感器工作原理是通过测量地磁场三个矢量分量值，再通过坐标变换换算出以地磁场北为基准下的方位值。hmc5883l模块通过简单的i2c方式与微处理器通信，即可获取地磁场方位角。所述信号调理电路，用于获取风速值，主要是将所述热式流量传感器的电阻信号变为电压信号，并通过微处器的ad转换单元进行采集。原理图如图4所示，属于常规电路；所述微处理器，为系统核心模块，它包括：最小系统、实时时钟、sd卡数据存储等。根据系统设计的基本原则及应用需求，本发明采用基于armcortex-m3架构的stm32f103zet6微处理器作为系统核心处理单元。系统框架图如图6所示。微处理器是系统的控制中心，负责给系统各模块供电、实现与系统各模块之间的信息交互、数据处理、数据存储传输等功能，同时嵌入式软件系统运行在此模块上。所述无线通信模块，是指基于短报文的北斗通信模块，主要用于数据传输。本发明选用的是cqjz-c-bd002型北斗数传用户机，它是一款卫星定位、通信终端模组，基于我国自主开发的北斗(也称：bds)系统、同时兼容gps系统，将bds通信、bds/gps定位等功能集成在一起，能够实现卫星定位、通信、位置上报等功能，其外形结构如图1所示北斗通信模块。本发明的海洋浮标监测风传感器，对风速风向进行测量的具体流程为：(1)首先获取四个热式流量传感器的电压值v1、v2、v3、v4,并计算出对应的风速值ws1、ws2、ws3、ws4；并对风速值进行排序，选择两个最大的风速值合成风速；这里，假设ws1为最大风速，ws2为次大风速，风速合成公式为：(2)计算风的来向与传感器之间的夹角，计算公式为：根据传感器布局图，风向值wd为：wd＝ws1码值±α，(3)说明：根据四路热式流量传感器布局，依次编号为1、2、3、4，最大风速(wsl)码值，1号为0°，2号为90°，3号为180°，4号为270°；次大风速在最大风速左侧(最大风速码大于次大风速码，1号除外)为减(即取减号)，次大风在最大风右侧(最大风速码小于次大风速码，4号除外)为加(即取加号)；例如最大风为2号，次大风为1号，风向值wd＝90-α，如果最大风速为2号，次大风速为3号，风向值wd＝90+α；计算的风向结果如果小于0°则加360°；(3)上面计算的结果是，假设1号正北，2号正东，3号正南，4号正西，在海洋浮标监测中无法做到这样的假设，因此采用三维陀螺仪偏北的角度(β)进行修正，修正后的风向值为：wd′＝wd-β，(4)说明：修正的风向结果如果小于0°则加360°；(4)将计算后的风速、修正风向结果，经过串行通信口可直接连接计算机或无线通信模块进行通信，输出风速风向测量结果。上述步骤流程由微处器的嵌入式软件完成。本发明设计的海洋浮标监测风传感器，具有如下优势。第一：体积小，热式流量传感器体积小，只有常规风传器的千分之一(常规风传感器感应面积大于100平方厘米，热式流量传感器感应面积不到0.1平方厘米)，多路风速合成热电阻风向风速传感器。本发明采用4个热式流量传感器测量不同方向上的风速，然后合成为风速风向，是本发明首创。第二：无转动部件，无机械磨损，该传感器设计将四个热式流量传感器贴在一个圆柱型结构四个方向，测量来自不同方向上的风，没有转动的部件所以不存在磨损问题。第三：可自动修订风向，目前市面上所有的风均采用安装前找北，如果风传感器指北标记没有指示北，测量的结果就是错误的，也就是说每次测量正确的前提是风向指北标识正确。但浮标却不能保障每次测量前指北标识不发生变化，因此只能通过其他仪器设备每次测量浮标指向角度来修正风向测量。本设计将三维陀螺仪直接集成到传感器里，克服了需要重新修正的问题。第四：不易粘附污染物，可防腐，风传感器感应部分持续高于环境温度50℃，水汽不可能在上面凝聚，也就让污染物无法粘附，从而可以保障传感器长期干燥干净的状态。附图说明图1为本发明海洋浮标监测风传感器结构框图。图2为flowsensfs5结构图。图3为四路热式流量传感器布局结构俯视图。图4为风速采集电路。图5为10米风速不同风向电压值图。图6为stm32f103zet6系统框架图。具体实施方式通过4个热式流量传感器测得的空气流速，进一步求得风速风向值。传感器输出的风速风向值通过串行通信(rs232或485)口直接连接无线通信模块，发送至上位机进行存储和显示。热式流量传感器元件选型热式流量传感器的工作原理是当温度较低的动态流体经过物体后，会产生热传递效应。根据能量守恒定律，加热电阻消耗的热功率和气体带走的热量相等，气体的流速和气体带走热量的大小成正比例关系。依靠此特性，可以用来测量流速的大小。集成热膜器件不仅具有动态响应灵敏、结构小等特点，而且分辨率较高。如图2所示为发明所选用的热式流量传感器flowsensfs5。它具有将空气流量信号转化为电压信号的能力。图中的三根引脚分别为模拟地gnd、加热器供电引脚rh、采样引脚rs。其内部封装有两个对温度敏感的铂电阻，一个用于加热、一个用于采样环境温度，设计时采用加热供电引脚让加热的温度传感器高于环境温度50℃，当气流流动小时需要维持的电流也小，反之当空气流速大时加热的电流也增加，其测量范围为：0-100m/s流速。设备模块化设计如图2所示，在圆形管外侧每90°粘贴一个热式流量传感器，1方位风向盘0度(1的位置)，90度(2的位置)、180度(3的位置)、270度(4的位置)度，安装4个热式流量传感器(这里的角度采用风向角度来定义，北为0度，东为90度，南为180度，西为270度)。下面以一个结构的来进行工作原理说明：假设气流从0度方向吹来(北风)，对于1、2、4三个感应器件都能感应到，当气流从45度方向吹来(东北风)，1、2能够感应到，3、4处于背风面。无论风来自哪个方向至少会有2个(至多3个)感应期间感应到。气流从不同方向吹来带走的热量能力不同，可以根据多个感应器件保持热量的加热电流来获得当时风的大小和方向。数据采样与风速风向计算基于stm32f103zet6微处理器，使用4组flowsensfs5(简称fs5)集成热膜探头来进行风速和风向的组合测量和计算。系统基于该热电阻传感器设计相应采样电路，将fs5输出的电压信号通过信号调理电路进行差分放大和滤波后送入微处理器的12位ad通道进行采样。stm32f103zet6微处理器将其电压信号进行数字滤波后，最终根据风速风向算法计算出相应的风速和风向。系统选用三轴磁阻式传感器hmc5883l测量地磁场偏转角度以修正移动过程中测量的风向值。hmc5883l是一种表面贴装的高集成模块，其中包括高分辨的磁阻传感器，信号放大电路，偏差校准电路，从而能使地磁场偏转角度测量精度达到1°。传感器工作原理是通过测量地磁场三个矢量分量值，再通过坐标变换换算出以地磁场北为基准下的方位值。hmc5883l模块通过简单的i2c方式与微处理器通信即可获取地磁场方位角，且体积小，成本低，适合用于移动便携式气象仪地磁场角度测量。热式风速传感器，由传感元件fs5采集风速信号，由于空气流动，带走热量，使得集成在fs5内的rh和rs的阻值变化，采集的电压值也发生变化，再经由信号放大电路把信号进行放大，本次设计选用差动放大电路，由三极管bd237的发射级输出电压，由压控电压源型滤波电路对电压进行滤波，使电压的幅值比较稳定，之后再由分压电路中的电阻r3和r6对前段的输出电压进行分压，使其输出电压小于3.3v，而后由微处理器的a/d通道采集。本设计使用的硬件电路具有低通滤波效果，并采用128点的fft进行时频转换将数据从时域转换为频域测试具体滤波电路的效果。测试结果表明，直流分量为采样信号的最大分量，其他分量基本可以忽略不计，设计通过提取系统输入的直流分量来计算风速风向，系统采用四个传感器，在一个采样循环内，系统按照传感器排列的顺时针方向依次完成各个传感器的采样和转换，然后再按照相同的转换方式进行下一个循环周期内的采样和转换。系统连续运行128个循环周期作为一次系统输入。一次系统采样周期约为4.6ms。系统完成一次采样需4.6ms。根据在回路风洞中的反复测试，得到该同一个感应器在同一个风速下不同风向获得的电压值不同。以2号感应器风向从0-360度在10米风速下测试结果可以看出。当风向10-170°时感应面直接感应风，电压值明显，当180-360°是感应面背风电压值偏小。表1，2号传感器10米风速不同风向电压值表风向角度(度)0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°电压2.242.282.312.302.282.282.262.252.252.24风向角度(度)100110120130140150160170180190电压2.262.282.292.302.302.312.272.252.172.16风向角度(度)200210220230240250260270280290电压2.162.162.192.172.202.202.192.192.192.19风向角度(度)300310320330340350360电压2.192.192.182.192.192.182.24。以上风速风向测量算法通过编程实现，四个感应期间同三维陀螺仪结合传感器最终直接输出实时风速风向值。当前第1页12