朱栋升(1982-)男，现为新疆大学控制理论与控制工程专业在读研究生，主要从事嵌入式系统在工控领域的应用研究。

　　






    摘要：在分析和比较传统测风传感器的基础上，研究开发了新型的测风传感器——风翼式固态测风仪。风翼式固态测风仪综合运用世界气象组织推荐的固态测风技术和嵌入式技术，实现了风速、风向以及温、湿度数据的实时采集、存储和动态显示。

　　关键词：固态测风仪;嵌入式技术;数据采集

　　Abstract: Through analyzing and comparing the traditional anemometer, a new anemometer is designed —winged solid anemometer. The embedded system technology and solid wind-detecting technology, recommended by WMO are applied in this design. It is able to real-time detect, save and dynamically display the factor of wind and environment, such as the angle and speed of the wind, temperature and humidity.

　　Key words: Solid anemometer; Embedded system technology; Data detecting

　　1 引言

　　风能是我国可以利用的可再生资源中仅次于太阳能的能源，同时风能又是清洁高效的能源，风力发电机的自动控制必须依靠风向风速的外界条件，因此研究测风部件对推进风场设备的国产化具有现实意义。

　　传统的测风传感器主要有机械式和电子式两大类。机械式以风杯式和风轮式为主，由于转轮是可动元件，机械摩擦、泥沙灰尘堆积等因素使仪器的可靠性不高，误差较大。电子式测风传感器以热式(热线、热球)、超声波等为主。当在湍流中使用热敏式探头时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响测量结果的准确性，而且热式测风传感器的长期稳定性差且输出特性为非线性特性。超声波式测风传感器价格又比较昂贵。

　　固态测风技术是目前世界上最新发展起来的一种测风技术，其突出特点是测风装置没有旋转部件，这就避免了因设备磨损而引起的测量误差，可以长期使用且不影响精度，是当前世界气象组织(WMO)推荐的测风换代技术。本文将该技术与嵌入式技术相结合，研究开发了风翼式固态测风仪。如图1所示。仪器由测风仪测风部件、数据采集系统及上位监视系统三部分组成。

　　
图1 风翼式固态测风仪系统框图

　　2 硬件结构

　　2.1 测风仪测风部件结构

　　
图2 测风仪测风部件

　　(1— 迎风体;2—连接套管1;3—软管;4—保护套管3;5—底座)

　　如图2所示，测风仪测风部件外部结构放置分为迎风体、套管和底座。其中迎风体由四片相同的金属叶片呈90°放置焊接而成。套管内装有两个电阻应变式压力传感器，温度传感器和湿度传感器。电阻应变式压力传感器通过连杆与迎风体相连，从而可以感受迎风体所承受的压力。传感器输出电压信号经放大器放大后送到单片机。

　　2.2 数据采集系统

　　测风仪的数据采集系统以PIC16F877单片机为核心，完成A/D转换，数据预处理以及数据传输。PIC单片机程序分为主程序(main)、采集模块、滤波模块以及通信模块。采集模块通过A/D通道RA0~RA3循环采集温度信号、湿度信号、X轴压力信号和Y轴压力信号;滤波模块则在输入缓冲区满时综合平均值滤波、最大值滤波和最小值滤波的方法去除干扰;通信模块负责数据的发送及命令的接受，采用RS485的通信方式与上位机通信。

　　3 测量原理

　　当自然风作用到迎风体上时，会在其上产生作用力，风的大小不同，作用力的大小也不同。该作用力可分解为分别作用在两个叶片上的力，求解两个叶片上的力的模值就可以得出风的作用力的大小，再利用风的作用力与风速的关系得出风速;同样通过求解两个叶片上的力的比值就可以得出风的作用力方向，即风向。

　　本测风仪采用的传感器为电阻应变式压力传感器。电阻应变式压力传感器利用弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在其表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而将外力变换为电信号。

　　
图3 桥路压力传感器

　　电阻应变式传感器有多种形式，使用最多的为桥路形式，如图3所示。

　　R1～R4：为应变片;RX：多圈调零电位器;R0：温度补偿电阻;E：传感器桥压;ΔV：传感器输出。

　　当桥路中的臂电阻发生变化时，桥路就失去了平衡，桥路的输出由初始化状态的零电位开始变化，这个变化量反映了压力的变化量。通过判断的正负即可确认作用力的方向。同理，两个垂直放置的电阻应变式传感器的电压输出即可分别用于判别东西方向和南北方向的力，就可以得出确切的风向。由于风作用在物体上通常为持续的，微小的力，本固态测风仪装有长杆及风翼，将风的作用效果转换为与其连接的金属的形变效果，使传感器得到相应的电压值，有助于提高灵敏度。

　　4 参数标定及零点校正

　　4.1 风向和风速参数标定

　　风向、风速的参数标定方法如图4所示。测风仪置于具有360度刻度的机床分度头上，在均匀风速的作用下，旋转机床分度头，通过比较界面风向变化与机床分度头刻度变化来调整精度。保持机床分度头不变，调节变频器，改变风速，由电子微风仪测得当前风速，纪录此时的x-y电压模值。这样，经过多次调节，即可得到一组风速-电压数据，从而拟和出风速与电压的关系。数据经拟合后得到如下公式:

　　
图5 所示为东西方向压力传感器在理想风向下输出电压(放大后)与风速的关系图。

　　
图4 参数标定示意图

　　
图5 东西方向压力传感器在理想风向下输出电压(放大后)与风速的关系图

　　4.2 零点校正

　　零点校正分为硬件零点校正和软件零点校正。硬件零点校正通过在初始状态下调节图3中的Rx使Δv为零。软件校正则可以在需要时采集当前状态值作为零点，从而克服零点漂移。

　　5 上位监视系统

　　本风翼式固态测风仪的上位机程序采用VB6.0编写，实现了风速、风向的实时动画显示，趋势显示，历史数据查询，信号校正。系统不仅可以实现风速和风向的文本显示，同时指针也能随着风速和风向的改变而改变，使界面生动形象。趋势图及历史数据图为数据的分析。结合软硬件的信号校正可以克服零点漂移的影响。

　　本风翼式固态测风仪的监视主界面如下图6所示。

　　图6 上位机监视主界面

　　6 结论

　　本风翼式固态测风仪在达坂城风电场进行过测试，结果与EY3-2A型电子微风仪基本一致,证实了设计的可行性。同时本测风仪结构简单和材料价格低廉的特点使其在价格上更具有竞争力，因此具有广阔的应用前景。然而由于材料加工等若干问题，目前测量风速范围只为0~10m/s，仍需进一步改进。

　　参考文献：

　　[1] 丁祖荣. 流体力学(中册)[M]. 北京：高等教育出版社, 2003.

　　[2] 何信龙,李雪银. PIC16F87X快速上手[M]. 北京：清华大学出版社, 2001.

　　[3] 李长林. Visual Basic串口通信技术与典型实例[M]. 北京：清华大学出版社, 2006.