一種風速風向的測量系統及其測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種集成式風速和風向測試的方法，屬于高性能元件和設備制造的技 術領域。
【背景技術】
[0002] 風速和風向的測試或者測量是與氣象，交通，農業等領域密切相關的課題。常規 的，目前市場上可見的測試風速和風向的方法有很多種，比如熱絲法，也即使用一根發熱的 細絲作為敏感元件，通過感知其在不同風速下散熱情況的差別來判斷風速的大小。由于其 散熱情況與環境溫度也是相關的，需要考慮環境溫度的修正后才能獲得比較準確的風速大 小，而其對風向的判斷能力比較差；旋轉測風碗或者測風杯的方法。一般是通過三個測風碗 的轉動速度判定風速的大小。這種方法一般需要結合風向標來判定風向；另外還有微機電 傳感器形式的MEMS測風芯片的方法，其也是利用空氣流動帶走熱量的方法來判斷風力和 風向。
[0003] 以上的幾種方法雖然都可以給出風速和風向，但是，都基于一個前提假設，也即空 氣的流動方向平行于測試的方向。常規而言，這一方向就是平行于測量處的海平面方向。因 此，風速測量系統的安裝也需要依據這一標準進行。如果其安裝的不正確，通常只能測到風 速的分量。另外，對于類似于MEMS測風芯片的方法，由于需要將芯片固定安裝在基座上，基 座的形狀和尺寸也會對空氣的流動產生擾動并干擾測量結果。常規的基座一般采用平行的 上下盤然后兩者之間通過細的圓柱形支柱連接的方式，傳感器則置于平行的上下盤之間。 這一幾何結構可能導致以下幾個方面的干擾：1)支柱會對空氣流動產生擾動，擾動比較小 的時候可以忽略，但是在風速比較大的時候可能帶來較大干擾，影響測量結果；2)上下平 行盤一般只對嚴格平行的空氣流動形成通道，對于不平行于上下盤的空氣流動，測試不能 給出完全準確的結果。此時需要在不同方向安裝多個測試站進行測試。3)即使是在嚴格平 行的空氣流動情況下，上下平行板結構本身是一種集風結構，好比是飛機機翼，其存在會 改變風的流動狀況，因此可能會對測量結果產生影響.以上三點雖然可以通過軟件矯正的 方法進行一些改善，但是由于風向變化產生的干擾難以消除.
[0004] 實際上，目前所使用的眾多測試方法均受到風向變化時的干擾，此時單一的測試 單元可能給出完全不正確的數據.即使使用了多個測量單元，也會因為風向的準確判斷的 問題而不能獲得良好的結果.特別是有些時候空氣流動方向不是與水平面嚴格平行，比如 存在垂直于水平面的風速分量的情況.因為現在普遍使用的風向測試系統也是都默認了 空氣流動是平行于水平面的.所以實際上缺少對真實的風向的準確反映.因此，總體來 說，目前的風速風向測試系統缺少對這一實際情況的系統細致的考量，其獲得的結果只能 反映部分的實際情況.如果需要獲得全面的，細致的信息，就需要構建一種新的不同的系 統。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術存在的問題，本發明提供一種測量風速、風向的測量球及其測量方 法，采用集成的，球面均布式傳感系統，通過測試處于空氣流場中的球體表面不同點的壓強 大小及其分布，實現對風速和風向的準確判斷。
[0006] 本發明的技術方案是：一種風速風向的測量系統，包括表面光滑的球殼，所述球殼 上均勻開設有不少于6個測壓孔，每個測壓孔處設置一個氣壓傳感器；所述氣壓傳感器與 其對應通風孔之間密封式連接，隔絕測壓孔與球殼內腔。
[0007] 進一步的，所述球殼表面、與每個測壓孔所在的球半徑垂直的圓上至少包括4個 等間隔的測壓孔。
[0008] 進一步的，所述球殼表面開設有6個測壓孔，以球心為圓心兩兩垂直的3個圓的交 點處各開設有1個測壓孔。
[0009] 進一步的，包括一固定式或者可旋轉式支撐測量球的支撐桿，所述支撐桿的直徑 小于球殼的半徑。
[0010] 進一步的，所述球殼表面制備有一層具備自清潔特性的疏水涂層。
[0011] 本發明還提供利用一種風速風向的測量系統實現的測量方法，具體步驟如下：將 測量球固定于需測量風速風向處，通過分布在球體表面不同位置的測壓孔測量其表面的壓 強大小和分布狀況判斷風速的大小和方向。
[0012] 進一步的，利用一種風速風向的測量系統實現的測量方法，具體步驟如下：將測量 球固定于需測量風速風向處，采集所有氣壓傳感器的壓強值，比較并選擇出壓強相同的氣 壓傳感器，以球心為圓心，以選擇出的氣壓傳感器中的任意一個作為圓上一點畫圓，若有至 少4個等間隔的氣壓傳感器在該圓上，則可判定風向為垂直于該圓的方向；因為垂直于該 圓的球直徑上有2個氣壓傳感器，一個為正壓，一個為負壓，則風向為正壓所對應的氣壓傳 感器所對應的測壓孔至球心的方向；同時，利用正壓所對應的氣壓傳感器的壓強計算得到 風速，輔助計算其他測壓孔處的壓強所對應的風速進行驗證或者修正以及給出測量誤差； 若在所有能畫的圓上均沒有至少4個等間隔的氣壓傳感器，則旋轉測量球，實時測量，直至 滿足至少4個等間隔的氣壓傳感器在圓上。
[0013] 進一步的，所述利用正壓所對應的氣壓傳感器的壓強計算得到風速，具體步驟如 下：
[0014]
[0015] 其中：p為測得的正壓所對應的氣壓傳感器的壓強，p"為正壓所對應的氣壓傳感 器處沒有球體時候的壓強，P〇=為正壓所對應的氣壓傳感器處沒有球體時候的空氣密度， ν〇=為沒有球體時候的風速，Cp為壓強系數；而Cp=l-9/4cos2(theta)，其中theta是通風 孔偏離風向的角度，因為風向為正壓所對應的氣壓傳感器所對應的測壓孔至球心的方向， 則theta= 0°已知，即可求得V"。
[0016] 進一步的，在需測量風速風向處，同時擺設多個不同直徑的測量球進行測量。
[0017] 空氣在流經球體表面時會對迎面的球表面施加正壓強，而背面的球表面會感受到 負壓強，并且同樣是在迎面或者背面的球表面，其不同位置感受到的壓強大小有差別。而同 樣風向的情況下風速越大，其迎風面感受到的壓強越大。本發明就是依據這一原理進行風 速和風向的測定。在一個光滑的球體表面均勻制備氣壓測量測壓孔，測壓孔與球體內部的 氣壓傳感器進行密閉式的連接，避免環境壓強的影響。通過測量各個傳感器的壓強數據與 已建立小球表面的壓強分布狀況，據此通過數據分析最后確定風速、風向等參數。
[0018] 其中，可以使用多種氣壓傳感器件。傳感器件應該具備測試正壓和負壓的能力，也 即以環境氣壓為參考的正壓和負壓。球體表面的通風孔在滿足壓強傳感器測試要求的條件 下應該取直徑盡量小，以避免對被測對象產生干擾。實際使用過程中，如果需要支撐測量 球，支撐測量球的支撐桿在保證強度的情況下應該盡量使用更小直徑。
[0019] 本發明的有益效果：
[0020] 1.能夠實現三維情況風速和風向的測量，對于具有垂直于水平面的風速分量的情 況，本測試結構和方法也可以給出準確的測量結果，其適用于各種復雜氣象環境條件；
[0021] 2.測量準確度高。由于使用了簡潔的測量幾何，排除了眾多影響測量結果的因素， 特別是排除了探測器安裝輔助結構對空氣流動的擾動的影響，保證了測試的準確度；
[0022] 3.成本較低。相比于使用多套探測單元構建的三維風速風向測試系統，其具有較 好的成本優勢；
[0023] 4.具備一定的防水，防灰塵以及防污、防臟功能。由于本發明使用具有光滑表面的 球體，其表面的測壓孔具有比較小的直徑，水滴不易通過小孔進入球體內部造成器件的損 壞。同時球體表面可以制備具備自清潔特性的疏水涂層，其具備一定的防灰塵以及防污、防 臟功能。
[0024] 5.可以同時測試海拔高度信息。海拔高度可以直接通過測試壓強得到。通過測 量風速，可以推算無風時候的壓強，通過壓強即可推算海拔高度。也即：假設海平面處壓強 為P0,現在測得某處壓強為P1，則通過兩者的壓強差可以推算海拔高度。基本原理是海拔 越高，氣壓越底。
[0025] 6.可以最大程度的排除由于安裝部件等帶來對測試空氣流動狀態的干擾，獲得 準確的測量數據。
【附圖說明】
[0026] 圖1、一種風速和風向測試系統的結構圖。其中，A為表面光滑的球殼，為了獲得良 好的防污、防臟效果，球殼的表面可以涂覆防水涂層或進行防水處理。B1-B6為6個壓力傳 感器件的傳感口的位置。
[0027] 圖2、對應于圖一的剖面結構圖。其中，A為球殼，C為球殼內的壓力傳感器，其傳 感口與球殼上的測壓孔D做密封連接，D的位置對應于圖1中的B1-B6。
[0028] 圖3、為了獲得更好的測試精度，可以增加壓強傳感器的個數，對應的其在球殼表 面的傳感口的位置應該作如圖所示意的對稱分布。
[0029] 圖4、在風速比較小的情況下（或者雷諾數比較小），空氣流經球體表面形成的流 線分布狀態。圖上迎風面為正壓，背風面為負壓。
[0030] 圖5、在風速比較小的情況下（或者雷諾數比較小），空氣流經球體表面的壓強分 布。可以看到，在有空氣流動的時候，球表面不同位置的壓強是