[实用新型]并联式三维测风传感器

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种测风传感器，尤其是能够同时测量三维空间矢量风的风力和风向的并联式传感器。

背景技术：

风矢量是基本的气象要素之一，也是大气边界层最基本的特征量之一。风是由于空气流动而产生的，是由许多小尺度的脉动叠加在大尺度规则气流上的三维矢量。在气象学上，常把风作为二维矢量来考虑。它由两个参数来确定，即风速(风矢量的模数)和风向(风矢量的幅角)。用来测量这两个参数的装置被称为测风传感器，主要应用于天气预备、以及风能资源分析、风场微观选址、风机及风场发电量计算等。并且在气象观测领域，测风传感器的精确度会直接影响到天气预备的准确度；在风能开发领域，测风传感器的性能会直接影响到风力发电机的自动控制系统能否最优的扑捉到风力资源进行发电。因此，随着环境科学的发展以及风力发电技术的大规模应用，研究能够广泛应用的、精确度高的测风仪成为当前急需解决的问题。

根据测风原理不同，测风仪主要类型有：(1)利用被加热物体的冷却强度与空气流动速度之间关系的散热式，主要是用于测量小风速，但不能测量风向。(2)利用声波在大气中的传播速度与空气的温度和风速之间关系的声学式，声学风速计没有转动部件，具有工作稳定，不易损坏、响应快，能测定沿任何指定方向的风速分量，但是价格昂贵，并且长期使用稳定性差。(3)利用空气流的空气动力学的旋转式，包含风杯式和螺旋桨式两种。由于比其他测风传感器测量范围大、成本比较低，所以目前应用最为广泛的是风杯式风速计。但是，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，长期使用稳定性较差。并且风向标的左右摆动不能精确的对准风向，会产生侧面分量，会部分的降低平均风速。

现代气象监测站多向着全天无人值守发展。建立自动气象监测站，迫切需要精度高，并且在各种环境下性能稳定的自动监测仪器-包括达到此要求的测风传感器。

发明内容：

为了得到高可靠性、高精度、使用寿命长、可广泛应用的测风传感器，本实用新型提供一种并联式测风传感器，该传感器不但能够同时测量三维空间矢量的风力和风向，成本低、结构简单，还可以广泛的应用到各种测风场合。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型的一种并联式三维测风传感器，它包括并联式六维力传感器装置和感风装置，

所述并联式六维力传感器装置包括作为基体的Stewart平台和六个电阻应变式压力传感器，所述基体包括上、下支撑平台和连接上、下支撑平台的六个弹性支撑杆，并在六个弹性支撑杆上分别粘贴所述六个电阻应变式压力传感器的电阻应变片；所述感风装置为一球形壳体，该球形壳体固连在Stewart平台的上支撑平台上。通过六维力传感器可以测得感风装置上所受的风力的大小和方向，然后通过空气动力学原理就可以解算出风的速度及方向。

本实用新型提出一种可以同时测量三维空间矢量的风力和方向的并联式测风传感器，其感风装置做成球体，这样可以根据空气动力学原理方便的计算出来自任意方向的风力的大小与感风装置所受力大小之间的关系；并联式六维力传感器装置是一种基于Stewart平台的六维力/力矩传感器，在Stewart平台的连接上、下平台的六个弹性元件上安装的是电阻应变式压力传感器，电阻应变式传感器主要特性是准确度高，非线性及滞后误差小，蠕变小，并对传感器的零点平衡、零点温度影响、灵敏度温度影响以及输出灵敏度标准化都进行了全面的补偿。

当来自三维空间中任意方向的自然风作用到感风装置上时，会在其上产生作用力，风的大小不同，作用力的大小也不同。通过与感风装置相连的并联式六维力传感器装置就可以测定感风装置上所受的风力大小及方向，其基本原理是基于Stewart平台的并联式六维力传感器装置受到感风装置上传递过来的风力矢量时，其上的六个弹性支撑杆产生弹性变形，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，于是通过Stewart并联机构原理可以计算出风力的大小和方向。然后并联式六维力传感器装置输出电压信号经放大器放大后送到单片机，再利用风的作用力与风速的关系可计算输出风速的大小和方向。

本实用新型具有如下有益效果：