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朱棟升(1982-)男，現(xiàn)為新疆大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

　　






    摘要：在分析和比較傳統(tǒng)測風(fēng)傳感器的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了新型的測風(fēng)傳感器——風(fēng)翼式固態(tài)測風(fēng)儀。風(fēng)翼式固態(tài)測風(fēng)儀綜合運用世界氣象組織推薦的固態(tài)測風(fēng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)了風(fēng)速、風(fēng)向以及溫、濕度數(shù)據(jù)的實時采集、存儲和動態(tài)顯示。

　　關(guān)鍵詞：固態(tài)測風(fēng)儀;嵌入式技術(shù);數(shù)據(jù)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(fēng)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(fēng)能又是清潔高效的能源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動控制必須依靠風(fēng)向風(fēng)速的外界條件，因此研究測風(fēng)部件對推進(jìn)風(fēng)場設(shè)備的國產(chǎn)化具有現(xiàn)實意義。

　　傳統(tǒng)的測風(fēng)傳感器主要有機(jī)械式和電子式兩大類。機(jī)械式以風(fēng)杯式和風(fēng)輪式為主，由于轉(zhuǎn)輪是可動元件，機(jī)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(fēng)傳感器以熱式(熱線、熱球)、超聲波等為主。當(dāng)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(jié)果的準(zhǔn)確性，而且熱式測風(fēng)傳感器的長期穩(wěn)定性差且輸出特性為非線性特性。超聲波式測風(fēng)傳感器價格又比較昂貴。

　　固態(tài)測風(fēng)技術(shù)是目前世界上最新發(fā)展起來的一種測風(fēng)技術(shù)，其突出特點是測風(fēng)裝置沒有旋轉(zhuǎn)部件，這就避免了因設(shè)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(dāng)前世界氣象組織(WMO)推薦的測風(fēng)換代技術(shù)。本文將該技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，研究開發(fā)了風(fēng)翼式固態(tài)測風(fēng)儀。如圖1所示。儀器由測風(fēng)儀測風(fēng)部件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及上位監(jiān)視系統(tǒng)三部分組成。

　　
圖1 風(fēng)翼式固態(tài)測風(fēng)儀系統(tǒng)框圖

　　2 硬件結(jié)構(gòu)

　　2.1 測風(fēng)儀測風(fēng)部件結(jié)構(gòu)

　　
圖2 測風(fēng)儀測風(fēng)部件

　　(1— 迎風(fēng)體;2—連接套管1;3—軟管;4—保護(hù)套管3;5—底座)

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

　　2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　測風(fēng)儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為核心，完成A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸。PIC單片機(jī)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(huán)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(qū)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送及命令的接受，采用RS485的通信方式與上位機(jī)通信。

　　3 測量原理

　　當(dāng)自然風(fēng)作用到迎風(fēng)體上時，會在其上產(chǎn)生作用力，風(fēng)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(fēng)的作用力的大小，再利用風(fēng)的作用力與風(fēng)速的關(guān)系得出風(fēng)速;同樣通過求解兩個葉片上的力的比值就可以得出風(fēng)的作用力方向，即風(fēng)向。

　　本測風(fēng)儀采用的傳感器為電阻應(yīng)變式壓力傳感器。電阻應(yīng)變式壓力傳感器利用彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)變片;RX：多圈調(diào)零電位器;R0：溫度補(bǔ)償電阻;E：傳感器橋壓;ΔV：傳感器輸出。

　　當(dāng)橋路中的臂電阻發(fā)生變化時，橋路就失去了平衡，橋路的輸出由初始化狀態(tài)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(fù)即可確認(rèn)作用力的方向。同理，兩個垂直放置的電阻應(yīng)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(fēng)向。由于風(fēng)作用在物體上通常為持續(xù)的，微小的力，本固態(tài)測風(fēng)儀裝有長桿及風(fēng)翼，將風(fēng)的作用效果轉(zhuǎn)換為與其連接的金屬的形變效果，使傳感器得到相應(yīng)的電壓值，有助于提高靈敏度。

　　4 參數(shù)標(biāo)定及零點校正

　　4.1 風(fēng)向和風(fēng)速參數(shù)標(biāo)定

　　風(fēng)向、風(fēng)速的參數(shù)標(biāo)定方法如圖4所示。測風(fēng)儀置于具有360度刻度的機(jī)床分度頭上，在均勻風(fēng)速的作用下，旋轉(zhuǎn)機(jī)床分度頭，通過比較界面風(fēng)向變化與機(jī)床分度頭刻度變化來調(diào)整精度。保持機(jī)床分度頭不變，調(diào)節(jié)變頻器，改變風(fēng)速，由電子微風(fēng)儀測得當(dāng)前風(fēng)速，紀(jì)錄此時的x-y電壓模值。這樣，經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，即可得到一組風(fēng)速-電壓數(shù)據(jù)，從而擬和出風(fēng)速與電壓的關(guān)系。數(shù)據(jù)經(jīng)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(fēng)向下輸出電壓(放大后)與風(fēng)速的關(guān)系圖。

　　
圖4 參數(shù)標(biāo)定示意圖

　　
圖5 東西方向壓力傳感器在理想風(fēng)向下輸出電壓(放大后)與風(fēng)速的關(guān)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(tài)下調(diào)節(jié)圖3中的Rx使Δv為零。軟件校正則可以在需要時采集當(dāng)前狀態(tài)值作為零點，從而克服零點漂移。

　　5 上位監(jiān)視系統(tǒng)

　　本風(fēng)翼式固態(tài)測風(fēng)儀的上位機(jī)程序采用VB6.0編寫，實現(xiàn)了風(fēng)速、風(fēng)向的實時動畫顯示，趨勢顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢，信號校正。系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向的文本顯示，同時指針也能隨著風(fēng)速和風(fēng)向的改變而改變，使界面生動形象。趨勢圖及歷史數(shù)據(jù)圖為數(shù)據(jù)的分析。結(jié)合軟硬件的信號校正可以克服零點漂移的影響。

　　本風(fēng)翼式固態(tài)測風(fēng)儀的監(jiān)視主界面如下圖6所示。

　　圖6 上位機(jī)監(jiān)視主界面

　　6 結(jié)論

　　本風(fēng)翼式固態(tài)測風(fēng)儀在達(dá)坂城風(fēng)電場進(jìn)行過測試，結(jié)果與EY3-2A型電子微風(fēng)儀基本一致,證實了設(shè)計的可行性。同時本測風(fēng)儀結(jié)構(gòu)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(yīng)用前景。然而由于材料加工等若干問題，目前測量風(fēng)速范圍只為0~10m/s，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

　　參考文獻(xiàn)：

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