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朱棟升(1982-)男，現為新疆大學控制理論與控制工程專業在讀研究生，主要從事嵌入式系統在工控領域的應用研究。

　　






    摘要：在分析和比較傳統測風傳感器的基礎上，研究開發了新型的測風傳感器——風翼式固態測風儀。風翼式固態測風儀綜合運用世界氣象組織推薦的固態測風技術和嵌入式技術，實現了風速、風向以及溫、濕度數據的實時采集、存儲和動態顯示。

　　關鍵詞：固態測風儀;嵌入式技術;數據采集

　　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

　　風能是我國可以利用的可再生資源中僅次于太陽能的能源，同時風能又是清潔高效的能源，風力發電機的自動控制必須依靠風向風速的外界條件，因此研究測風部件對推進風場設備的國產化具有現實意義。

　　傳統的測風傳感器主要有機械式和電子式兩大類。機械式以風杯式和風輪式為主，由于轉輪是可動元件，機械摩擦、泥沙灰塵堆積等因素使儀器的可靠性不高，誤差較大。電子式測風傳感器以熱式(熱線、熱球)、超聲波等為主。當在湍流中使用熱敏式探頭時，來自各個方向的氣流同時沖擊熱元件，會影響測量結果的準確性，而且熱式測風傳感器的長期穩定性差且輸出特性為非線性特性。超聲波式測風傳感器價格又比較昂貴。

　　固態測風技術是目前世界上最新發展起來的一種測風技術，其突出特點是測風裝置沒有旋轉部件，這就避免了因設備磨損而引起的測量誤差，可以長期使用且不影響精度，是當前世界氣象組織(WMO)推薦的測風換代技術。本文將該技術與嵌入式技術相結合，研究開發了風翼式固態測風儀。如圖1所示。儀器由測風儀測風部件、數據采集系統及上位監視系統三部分組成。

　　
圖1 風翼式固態測風儀系統框圖

　　2 硬件結構

　　2.1 測風儀測風部件結構

　　
圖2 測風儀測風部件

　　(1— 迎風體;2—連接套管1;3—軟管;4—保護套管3;5—底座)

　　如圖2所示，測風儀測風部件外部結構放置分為迎風體、套管和底座。其中迎風體由四片相同的金屬葉片呈90°放置焊接而成。套管內裝有兩個電阻應變式壓力傳感器，溫度傳感器和濕度傳感器。電阻應變式壓力傳感器通過連桿與迎風體相連，從而可以感受迎風體所承受的壓力。傳感器輸出電壓信號經放大器放大后送到單片機。

　　2.2 數據采集系統

　　測風儀的數據采集系統以PIC16F877單片機為核心，完成A/D轉換，數據預處理以及數據傳輸。PIC單片機程序分為主程序(main)、采集模塊、濾波模塊以及通信模塊。采集模塊通過A/D通道RA0~RA3循環采集溫度信號、濕度信號、X軸壓力信號和Y軸壓力信號;濾波模塊則在輸入緩沖區滿時綜合平均值濾波、最大值濾波和最小值濾波的方法去除干擾;通信模塊負責數據的發送及命令的接受，采用RS485的通信方式與上位機通信。

　　3 測量原理

　　當自然風作用到迎風體上時，會在其上產生作用力，風的大小不同，作用力的大小也不同。該作用力可分解為分別作用在兩個葉片上的力，求解兩個葉片上的力的模值就可以得出風的作用力的大小，再利用風的作用力與風速的關系得出風速;同樣通過求解兩個葉片上的力的比值就可以得出風的作用力方向，即風向。

　　本測風儀采用的傳感器為電阻應變式壓力傳感器。電阻應變式壓力傳感器利用彈性體在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應變片(轉換元件)也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化(增大或減小)，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號(電壓或電流)，從而將外力變換為電信號。

　　
圖3 橋路壓力傳感器

　　電阻應變式傳感器有多種形式，使用最多的為橋路形式，如圖3所示。

　　R1～R4：為應變片;RX：多圈調零電位器;R0：溫度補償電阻;E：傳感器橋壓;ΔV：傳感器輸出。

　　當橋路中的臂電阻發生變化時，橋路就失去了平衡，橋路的輸出由初始化狀態的零電位開始變化，這個變化量反映了壓力的變化量。通過判斷的正負即可確認作用力的方向。同理，兩個垂直放置的電阻應變式傳感器的電壓輸出即可分別用于判別東西方向和南北方向的力，就可以得出確切的風向。由于風作用在物體上通常為持續的，微小的力，本固態測風儀裝有長桿及風翼，將風的作用效果轉換為與其連接的金屬的形變效果，使傳感器得到相應的電壓值，有助于提高靈敏度。

　　4 參數標定及零點校正

　　4.1 風向和風速參數標定

　　風向、風速的參數標定方法如圖4所示。測風儀置于具有360度刻度的機床分度頭上，在均勻風速的作用下，旋轉機床分度頭，通過比較界面風向變化與機床分度頭刻度變化來調整精度。保持機床分度頭不變，調節變頻器，改變風速，由電子微風儀測得當前風速，紀錄此時的x-y電壓模值。這樣，經過多次調節，即可得到一組風速-電壓數據，從而擬和出風速與電壓的關系。數據經擬合后得到如下公式:

　　
圖5 所示為東西方向壓力傳感器在理想風向下輸出電壓(放大后)與風速的關系圖。

　　
圖4 參數標定示意圖

　　
圖5 東西方向壓力傳感器在理想風向下輸出電壓(放大后)與風速的關系圖

　　4.2 零點校正

　　零點校正分為硬件零點校正和軟件零點校正。硬件零點校正通過在初始狀態下調節圖3中的Rx使Δv為零。軟件校正則可以在需要時采集當前狀態值作為零點，從而克服零點漂移。

　　5 上位監視系統

　　本風翼式固態測風儀的上位機程序采用VB6.0編寫，實現了風速、風向的實時動畫顯示，趨勢顯示，歷史數據查詢，信號校正。系統不僅可以實現風速和風向的文本顯示，同時指針也能隨著風速和風向的改變而改變，使界面生動形象。趨勢圖及歷史數據圖為數據的分析。結合軟硬件的信號校正可以克服零點漂移的影響。

　　本風翼式固態測風儀的監視主界面如下圖6所示。

　　圖6 上位機監視主界面

　　6 結論

　　本風翼式固態測風儀在達坂城風電場進行過測試，結果與EY3-2A型電子微風儀基本一致,證實了設計的可行性。同時本測風儀結構簡單和材料價格低廉的特點使其在價格上更具有競爭力，因此具有廣闊的應用前景。然而由于材料加工等若干問題，目前測量風速范圍只為0~10m/s，仍需進一步改進。

　　參考文獻：

　　[1] 丁祖榮. 流體力學(中冊)[M]. 北京：高等教育出版社, 2003.

　　[2] 何信龍,李雪銀. PIC16F87X快速上手[M]. 北京：清華大學出版社, 2001.

　　[3] 李長林. Visual Basic串口通信技術與典型實例[M]. 北京：清華大學出版社, 2006.