专利名称：高动态性能测风传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型公开了一种适用于气象台站测量风速、风向的测风传感器。特别是一种风速传感器的起动风速≤0.5米／秒、测量范围0～70米／秒、测量精度(0.3＋0.01V)米／秒、抗风强度≥80米／秒、距离常数2.50米；风向传感器的起动风速≤0.5米／秒、测量范围0～360°、测量精度±3°、阻尼比≥0.4的高动态性能测风传感器。
目前现有测风传感器的风向标板和风杯用铝材制造，其动态性能指标风向传感器阻尼比达不到；风速传感器的距离常数不能较好地达到世界气象组织对测风传感器的要求。另外，现有风向传感器的角度分辨率低，只有16方位，角度分辨率为22.5°、不能满足世界气象组织对风向测量精度为±3°或±5°的要求。风速传感器的主要技术性能起动风速和测量范围也不能满足世界气象组织的要求。用薄铝板制造风杯和风向标板、耐腐蚀性差，在海洋性环境中使用寿命短。
随着科学技术的不断进步，根据世界气象组织对测风仪器的最新要求，用户迫切需要一种动态特性好、测量精度高、测量范围宽、耐腐蚀、可靠、寿命长等多种优良性能的测风传感器来更换气象台站使用近三十年的现用测风传感器。
本实用新型的目的在于提供一种风向角度分辨为128方位、测量精度为±3°、阻尼比≥0.4，风速起动风速小、测量范围大、抗风强度大、测量精度高、距离常数小，在结构上完全独立，用于测量同一时刻风速和风向的两支传感器的构成。
本实用新型所采取的技术措施是从力学角度出发在满足强度要求的前提下风杯杆的直径尽量小，风杯碗呈偏心状，靠近回转中心的一侧壁厚、远离回转中心的一侧壁薄。风杯碗、风杯杆、风杯脚设计成一体，用高性能炭纤维增强塑料注塑成形，三支风杯对接叠压组成一个风杯组；风向标板用炭布增强塑料高温高压成形，该板的比重小、强度高、刚性好。在风向标的前端加辅助板，能够在保证阻尼比和距离常数技术指标的前提下，缩短风向标杆的长度，提高了其刚性。辅助板与平衡铊的装配设计成为可拆连接式；在风向标的前部装有阻旋夹，以防止风向标杆在杆套的孔内旋转；风速感应信号电路采用霍尔开关集成电路，以降低电路功耗；风向角度变换方式采用格雷码盘、发光二极和光电三极管，为了降低电路功耗，提高电路的可靠性和使用寿命，该传感器可与主机相配合采用脉冲式供电方式；为了保护风速、风向感应信号电路的光、电器件免遭强雷电干扰所破坏，正电源线与逻辑地线，每一位输出信号线与逻辑地线之间都装有大功率的保护二极管；本实用新型的风速、风向传感器都可以装置薄膜加热器，用以熔化旋转部件与上壳体间隙处的冰冻，保证在有冻雨的情况下，风杯组和风向标组仍能继续旋转；本实用新型为了提高整体结构的防腐蚀性能，全部机械另件都是采用工程塑料、不锈钢、黄铜和铝材制造。所有铝材件都是经过阳极氧化处理后再经重铬酸钾溶液封闭处理，然后外表面再喷涂一层防腐涂料。
由于采取了以上的技术措施，产生了测量精度高、动态特性好、测量范围宽、抗雷电干扰能力强、功耗小、耐腐蚀、便于包装运输和维护的积极效果。
以下将结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
图1是本实用新型风速传感器结构示意图；图2是本实用新型杯套和一只风杯装配结构示意图；图3是本实用新型霍尔开关器件工作原理图；图4是本实用新型风向传感器结构示意图；图5是本实用新型阻旋夹正面结构示意图；图6是本实用新型阻旋夹左视结构示意图；图7是本实用新型风向角度变换电路工作原理图；参照图1，在由铝材机械加工成锥形的上壳体〔6〕内穿过一根不锈钢制的主轴〔5〕，主轴〔5〕由上下两只滚动轴承〔4〕及轴承压环〔10〕和压套〔11〕固定。上端连接风杯组〔1〕〔2〕〔3〕，下端连接磁棒盘〔13〕，延伸至下壳体〔16〕内。在磁棒盘〔13〕的一个园周上镶嵌36只磁棒〔12〕，相邻的磁棒〔12〕N、S极应相反，形成18个磁场。磁棒〔12〕与装配在下壳体〔16〕内的印刷电路板〔15〕上焊装的霍尔开关器件〔14〕上下对应。上壳体〔6〕内加工有空腔的园柱体〔9〕，空腔内固定主轴下端的一个滚动轴承〔4〕，绕园柱体〔9〕外围由固定夹〔8〕固定薄膜加热器〔7〕。聚酰亚胺簿膜为绝缘材料康铜箔为电热材料的簿膜加热器〔7〕，加热功率为10～20瓦。当加热器通电加热时，通过传导其热量传到上壳体的上部，可熔化风杯组〔1、2、3〕与上壳体〔6〕间隙处形成的冰冻，以保证风杯组在冰冻天气条件下的正常旋转。风速感应信号电路的电源线、输出信号线、加热器〔7〕加热电源线，通过插座〔17〕与主机电缆连接。
参照图1、图2，本实用新型的风杯组主要由风杯〔1〕、压盖〔2〕、杯套〔3〕构成。风杯〔1〕的风杯碗〔21〕、风杯杆〔20〕、风杯脚〔19〕用模具由炭纤维增强高性能工程塑料注塑成一体。本实用新型风杯〔1〕的设计兼顾了七种技术性能1、尽量小的起动风速；2、尽量小的距离常数；3、尽量高的抗风强度；4、尽量好的线性度；5、好的互换性能；6、好的加工工艺、装配、维护性能；7、好的耐腐蚀、耐老化性能。七种技术性能中，1、2的要求同3的要求是矛盾的。前两者要求风杯越轻越好，后者要求风杯越坚固越好。由于本实用新型风杯〔1〕的风杯杆〔20〕直径可选为φ7～φ8；风杯碗〔21〕呈偏心状、靠近回转中心一侧的壁厚，远离回转中心一侧的壁薄，因而合理地解决了这一矛盾，得到了较理想的结果。风杯脚〔19〕为对接叠压可拆式。风杯组中有三只同样的风杯〔1〕，当三支风杯装入风杯套〔3〕上部三个成120°等分度的槽〔18〕内后，盖上压盖〔2〕用螺钉固紧构成风杯组。这种结构的风杯脚，在组装风杯组时不需任何的调整，因而装配位置精度高，一致性好，易于装拆维护。
参照图1、图3，本实用新型风速传感器测量风速值大小的原理是在水平风力的作用下，固装在一起的风杯组〔1、2、3〕、主轴〔5〕、磁棒盘〔13〕一起旋转，风力越大，旋转越快。风杯组〔1、2、3〕每旋转一圈，磁棒盘〔13〕上由36只磁棒〔12〕形成的18个磁场，在霍尔开关器件〔14〕中的感应电路〔24〕中感应出18个小脉冲信号，经放大器〔25〕放大、整形器〔26〕整形后送驱动器〔27〕输出，稳压器〔23〕给电路提供稳定的电压源。风速值V与脉冲频率F的计算关系式是V＝a＋bF式中a、b为常数。测出F值后，即可求出风速V。
参照图3，正电源线与逻辑地线之间、输出信号线与逻辑地线之间接有防雷二级管〔22〕，防雷二级管的正端接地。当正电源线和信号线上由于雷电感应而出现高达几千伏的高压时，防雷二级管〔22〕能迅速通过大电流，把高电压降低并嵌位在所需要的低电平上，从而保护了霍尔开关器件〔14〕免遭破坏。
参照图4，在由铝材机械加工成锥形的上壳体〔6〕内穿过一根不锈钢制的主轴〔5〕，主轴〔5〕由上下两只滚动轴承〔4〕及轴承压环〔10〕和压套〔11〕固定。上端连接风向标组〔28、29、30、31、32、33、34〕，下端连接码盘〔37〕，延伸至下壳体〔16〕内。码盘〔37〕在下壳体〔16〕内固定不动的光电管支架〔36〕中间槽中通过，支架的上面沿径向直线方向并排装有7只发光二极管〔35〕对应着码盘〔37〕上的7位码道和光电管支架〔36〕下面的7只光电三极管〔38〕。上壳体〔6〕内加工有空腔的园柱体〔9〕，空腔内固定主轴下端的一个滚动轴承〔4〕，绕园柱体〔9〕外围由固定夹〔8〕固定簿膜加热器〔7〕。聚酰亚胺簿膜为绝缘材料康铜箔为电热材料的簿膜加热器〔7〕，加热功率为10～20瓦。当加热器通电加热时，通过传导其热量传到上壳体〔6〕的上部，可熔化风向标组〔28、29、30、31、32、33、34〕与上壳体〔6〕间隙处形成的冰冻，以保证风向标组在冰冻天气条件下的正常旋转。风向信号电路的电源线、输出信号线、加热器〔7〕加热电源线，通过插座〔39〕与主机电缆连接。
参照图4、图5、图6本实用新型的风向标组主要由平衡铊〔28〕、辅助板〔29〕、板夹〔30〕、阻旋夹〔31〕、风向标板〔32〕、风向标杆〔33〕、杆套〔34〕七部分组成。风向标板〔32〕用高温高压成形的炭布增强塑料板制造。这种材料比重小、刚性好、强度高、耐腐蚀、耐老化，是提高风向传感器动态性能指标较理想的材料。在风向标组前端加辅助板〔29〕，可以在保证动态性能指标的前提下缩短风标杆〔33〕的长度，以提高其刚性，使风向标组结构紧凑。辅助板〔29〕后中部开一长方形豁口，插入平衡铊〔28〕的相应槽内，由板夹〔30〕夹紧，螺钉固定，为可拆式连接，便于包装和维护。在平衡铊〔28〕后靠杆套〔34〕处装有阻旋夹〔31〕，阻旋夹〔31〕加工成直角形，其竖板〔41〕中心有可穿入风向标杆〔33〕的园孔〔40〕，园孔下有一豁口〔43〕，在豁口垂直方向有锁紧螺纹孔〔44〕，旋紧锁紧螺钉可使豁口〔43〕变窄，夹紧风向标杆〔33〕，阻旋夹横板〔42〕的下平面紧靠杆套〔34〕的上平面，阻旋夹、风向标杆、杆套便成为一体，风向标杆不能随意旋转。
参照图4、图7，风向传感器角度变换原理是，在水平风力的作用下，固定在一起的风向标组、主轴〔5〕、码盘〔37〕随风旋转，平衡铊〔28〕的尖端总是指向风力的来向。码盘〔37〕为格雷码盘，其七位码道都是由透光和遮光部分组成。当发光二极管〔35〕的光透过码盘〔37〕照射到对应的光电三极管〔38〕上后，其集电极输出低电平，经整形倒相器〔53〕之后变为高电平输出。光电三极管不被照射时，整形倒相器〔53〕输出低电平。当码盘〔37〕处于不同的位置时，七位光电管输出不同的高、低电平，构成不同的角度。
参照图7、风向角度变换电路中，由偏置电阻〔46、48〕、集电极电阻〔45〕、发射极电阻〔49、50、51〕、三极管〔47〕、发光二极管〔35〕构成发光二极管供电控制电路，在由主机送来的输入控制信号的控制下，可实现间歇式供电，以大大降低电路平均功耗、提高电路的可靠性和寿命。正电源线与逻辑地之间、每一根输出信号线与逻辑地之间，都装有防雷二极管〔22〕，以保护光电器件。
权利要求1.由上壳体[6]、下壳体[16]风杯组[1、2、3]、风向标组[28、29、30、31、32、33、34]、上下滚动轴承[4]、主轴[5]、空腔圆柱体[9]滚动轴承压环[10]和压套[11]、插头[17、39]构成的高动态性能测风传感器，其特征是a、在加工成锥形的上壳体[6]内穿过一根主轴[5]主轴[5]由上下两只滚动轴承[4]及轴承压环[10]和压套[11]固定于上壳体内，主轴[5]上端装风杯组[1、2、3]下端装有磁棒盘[13]延伸至下壳体[16]内，磁棒[12]与装配在下壳体内的印刷电路板[15]上焊装的霍尔开关器件[14]相对应构成一只独立结构的测风速传感器；b、在加工成锥形的上壳体[6]内穿过一根主轴[5]主轴[5]由上下两只滚动轴承[4]及轴承压环[10]和压套[11]固定于上壳体[6]内，主轴[5]上端装有风向标组[28、29、30、31、32、33、34]，下端装有码盘[37]延伸至下壳体[16]内，码盘[37]在下壳体[16]中固定不动的光电管支架[36]中间槽中通过，支架的上面沿径向直线的方向并排装有7只发光二极管[35]对应着码盘上的7位码道和下面的7只光电三极管[38]构成了独立结构的测风向传感器。
2.根据权利要求1所述的高动态性能测风传感器，其特征是风速传感器中的风杯碗〔21〕、风杯杆〔20〕、风杯脚〔19〕用模具注塑成一体，风杯碗呈偏心状靠近回转中心的一侧壁厚，远离回转中心的一侧壁薄，风杯脚〔19〕，为对接叠压可拆式，风杯组中有三支同样的风杯，当三支风杯装入风杯套〔3〕上部三个成120°等分度的槽〔18〕内后，盖上压盖〔2〕用螺钉固紧构成风杯组。
3.根据权利要求2所述的高动态性能测风传感器，其特征是磁棒盘〔13〕上镶嵌36只磁棒〔12〕，相邻的磁棒N、S极应相反，形成18个磁场，磁棒〔12〕与霍尔开关器件〔14〕上下相对应。
4.根据权利要求3所述的高动态性能测风传感器，其特征是霍尔开关器件中的感应电路〔24〕因磁棒盘〔13〕旋转感应出风速信号，风速信号径放大器〔25〕放大、整形器〔26〕整形、驱动器〔27〕输出。
5.根据权利要求4所述的高动态性能测风传感器，其特征是霍尔开关器件〔14〕电路中正电源线与逻辑地之间，输出信号线与逻辑地之间接防雷二级管〔22〕，防雷二极管的正端接地。
6.根据权利要求1所述的高动态性能测风传感器，其特征是风向传感器的主轴〔5〕上装有杆套〔34〕，杆套〔34〕上与主轴垂直装有风向标杆〔33〕，风向标杆〔33〕长臂端装有用炭布板制成的风向标板〔32〕，短臂的一端装有辅助板〔29〕，辅助板后中部开一长方形豁口插入平衡铊〔28〕的槽内由板夹〔30〕夹紧，平衡铊后靠杆套处装有阻旋夹〔31〕阻旋夹〔31〕加工成直角形，其竖板〔41〕中心有可穿入风向标杆的圆孔〔40〕，圆孔下有一豁口〔43〕在豁口垂直方向有锁紧螺纹孔〔44〕，锁紧螺钉使豁口变窄夹紧风向标杆〔33〕，阻旋夹横板〔42〕下平面靠紧杆套〔34〕上平面，阻旋夹、风向标杆、杆套便成为一体，风向标杆不可任意旋转。
7.根据权利要求1所述的高动态性能测风传感器，其特征是风向传感器角度变换电路，由偏置电阻〔46、48〕、集电极电阻〔45〕、发射极电阻〔49、50、51〕、三极管〔47〕、发光二极管〔35〕 构成发光二极管供电控制电路和光电三极管〔38〕、集电极电阻〔52〕整形器〔53〕构成接收信号电路，码盘〔37〕在发光二极管与光电三极管之间可随同主轴〔5〕在固定不动的光电管支架〔36〕中间槽中转动，码盘上方并排装有7只发光二极管〔35〕对应着码盘上的7位码道，在码盘的下方与发光二极管相对应装有7只光电三极管〔38〕接收透过码盘形成的风向角度信号，送整形器〔53〕输出，输出线与逻辑地之间，电源线与逻辑地之间接防雷二极管〔22〕，防雷二极管正端接地。
8.根据权利要求1所述的高动态性能测风传感器，其特征是测风速传感器和测风向传感器的上壳体〔6〕内加工有空腔的圆柱体〔9〕空腔内固定主轴〔5〕下端的一个滚动轴承〔4〕，绕圆柱体〔9〕外围由固定夹〔8〕固定聚酰亚胺薄膜为绝缘材料康铜箔为电热材料的加热器〔7〕，加热器的功率为10～20瓦。
专利摘要本实用新型公开了高动态性能测风传感器，它由测风速和风向的两支传感器构成。本实用新型风杯注塑成一体；风向标板为高温高压成型炭布增强塑料板；辅助标板与平衡铊可拆卸；输出信号线、正电源线与逻辑地之间装有大功率防雷二极管；壳体上装有薄膜加热器可熔化旋转部件与壳体间隙处的冰冻；风速采用霍尔开关器件、风向与主机相配合采用脉冲式供电方式可降低电路功耗，适用于气象台站及测量同一时刻的风速、风向的场合。
文档编号G01W1/02GK2206969SQ94214779
公开日1995年9月6日 申请日期1994年6月20日 优先权日1994年6月20日
发明者施德藩 申请人:机械工业部长春气象仪器研究所