風(fēng)向、風(fēng)速傳感器測量原理及故障排除

段慧娟

（阿拉善高新區(qū)氣象局，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750300）

1 概述

風(fēng)速風(fēng)向傳感器是自動氣象站內(nèi)不可缺少的儀器之一，自動觀測風(fēng)向和風(fēng)速的儀器主要有單翼風(fēng)向傳感器、光電式風(fēng)杯風(fēng)速傳感器、霍爾效應(yīng)風(fēng)杯風(fēng)速傳感器、螺旋槳式風(fēng)傳感器和超聲風(fēng)傳感器等。

2 風(fēng)傳感器的種類及原理

2.1 單翼風(fēng)向傳感器

2.1.1 原理

風(fēng)向感應(yīng)器為1 個低慣性的單翼風(fēng)向標(biāo)。風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)時，帶動同軸的格雷碼盤同時旋轉(zhuǎn)。按照碼盤切槽的設(shè)計，格雷碼盤每轉(zhuǎn)動2.8°，光電管組就會產(chǎn)生新的7 位并行格雷碼輸出，或者將7 位格雷碼盤進(jìn)行光電掃描后，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。

2.1.2 組成結(jié)構(gòu)

單翼風(fēng)向傳感器由風(fēng)向標(biāo)、格雷碼盤、光電管組、外殼和信號線插座等主要部件組成，風(fēng)向標(biāo)選用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性好、耐腐蝕的材料制成。部分傳感器帶有電子調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)，可防止風(fēng)向標(biāo)凍結(jié)，以保證儀器正常運(yùn)行。

2.1.3 安裝

風(fēng)橫臂按南北向水平架設(shè)在牢固的風(fēng)塔（桿）上，把組裝好的風(fēng)向傳感器安裝在風(fēng)橫臂上，傳感器中軸應(yīng)垂直，風(fēng)向傳感器在北側(cè)，方位指向正北，風(fēng)向標(biāo)中心距地高度2m～12m。

2.1.4 調(diào)試

風(fēng)向傳感器安裝完成后，輸入命令查看返回值，確認(rèn)儀器工作是否正常。

2.1.5 日常維護(hù)

（1）定期巡查風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動是否靈活、平穩(wěn)；風(fēng)線纜接頭防水性能是否良好是否，必要時更換防水膠布。（2）臺風(fēng)、冰雹、凍雨等惡劣天氣可能會造成風(fēng)標(biāo)板或軸承變形，致使傳感器轉(zhuǎn)動不靈活，強(qiáng)低溫雨雪天氣可能會使風(fēng)向傳感器凍結(jié)。出現(xiàn)上述天氣時，臺站里的工作人員要時刻注意觀察著傳感器的運(yùn)作，一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)值長時間停止不動或者是數(shù)值跳躍過大這種情況，應(yīng)及時處理，避免長時間數(shù)據(jù)異常。（3）風(fēng)向風(fēng)速傳感器每年都需要維護(hù)，定期維護(hù)每年至少要保底一次。維護(hù)內(nèi)容主要為檢查以及校準(zhǔn)風(fēng)向標(biāo)指北方位。（4）每到雷電頻發(fā)的時節(jié)都要對傳感器的防雷設(shè)施進(jìn)行維護(hù)。（5）按業(yè)務(wù)要求定期進(jìn)行檢定，檢定周期應(yīng)不超過兩年。（6）當(dāng)設(shè)備故障時應(yīng)及時進(jìn)行維護(hù)或維修。

2.2 風(fēng)杯風(fēng)速傳感器

2.2.1 原理

光電式風(fēng)杯風(fēng)速傳感器采用光電技術(shù)：光電轉(zhuǎn)換器和截光盤都是信號發(fā)生器的組成部分。一旦光電式風(fēng)杯開始運(yùn)作，通過主軸帶動截光盤旋轉(zhuǎn)，光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光電掃描產(chǎn)生脈充信號。這個測量過程換算成線性方程為：

式中V為風(fēng)速，單位為m/s；a、b為常數(shù)；F為脈沖頻率，單位為Hz。

霍爾效應(yīng)風(fēng)杯風(fēng)速傳感器采用電磁感應(yīng)技術(shù)：其信號發(fā)生器采用霍爾開關(guān)電路，內(nèi)有36 只磁體，上下兩兩相對。風(fēng)速傳感器上的風(fēng)杯開始運(yùn)作的時候，帶著主軸磁棒盤一起形成了一個小磁場，其線性方程為：

式中V為風(fēng)速，單位為m/s；c為常數(shù)；F為脈沖頻率，單位為Hz。

2.2.2 組成結(jié)構(gòu)

風(fēng)杯風(fēng)速傳感器外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)速傳感器外形結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2.2.3 安裝

風(fēng)橫臂按南北向水平架設(shè)在牢固的風(fēng)塔（桿）上，把組裝好的風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)橫臂上，傳感器中軸應(yīng)垂直，風(fēng)速傳感器在南側(cè)，風(fēng)杯中心距地高度2m～12m。

2.2.4 調(diào)試

風(fēng)速傳感器安裝完成后，輸入命令查看返回值，確認(rèn)儀器工作是否正常。

2.2.5 日常維護(hù)

（1）定期巡查風(fēng)杯轉(zhuǎn)動是否靈活、平穩(wěn)；風(fēng)線纜接頭防水性能是否良好，必要時更換防水膠布。（2）臺風(fēng)、冰雹、凍雨等惡劣天氣可能會造成風(fēng)杯或軸承變形，致使傳感器轉(zhuǎn)動不靈活，強(qiáng)低溫雨雪天氣可能會使風(fēng)杯傳感器凍結(jié)。出現(xiàn)上述天氣時，要密切觀察傳感器工作情況，發(fā)現(xiàn)異常（如風(fēng)速長時間為0m/s），應(yīng)及時處理，避免長時間數(shù)據(jù)異常。（3）每年春季對防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查，復(fù)測接地電阻。（4）業(yè)務(wù)要求定期進(jìn)行檢定，檢定周期應(yīng)不超過2 年。（5）當(dāng)設(shè)備故障時應(yīng)及時進(jìn)行維護(hù)或維修。

2.3 螺旋槳式風(fēng)傳感器

2.3.1 原理與組成結(jié)構(gòu)

螺旋槳式風(fēng)傳感器是集風(fēng)向風(fēng)速測量功能于一體的傳感器，傳感器由風(fēng)向組件、風(fēng)速組件、傳感器殼體、安裝桿、指北套件和信號變送器等部件組成，其外觀示意如圖2 所示。

圖2 螺旋槳式風(fēng)傳感器外觀示意圖

風(fēng)速組件由螺旋槳、風(fēng)速轉(zhuǎn)軸、風(fēng)速發(fā)電線圈等組成。在運(yùn)作的時候，螺旋槳會隨著風(fēng)力而轉(zhuǎn)動并且會連帶著磁極一起旋轉(zhuǎn)，這個過程透過線圈畫出可以明顯了解到轉(zhuǎn)的頻率和風(fēng)速的速度是成正比的。[1]

風(fēng)速與正弦頻率信號的關(guān)系為：

式中V為風(fēng)速，單位為m/s；k為換算系數(shù)，單位為m/(s?Hz)；f為正弦頻率，單位為Hz。

風(fēng)向組件由尾翼、風(fēng)向轉(zhuǎn)軸、風(fēng)向電位器等組成。當(dāng)尾翼隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)軸帶動電位器的調(diào)節(jié)指輪轉(zhuǎn)動，電位器的調(diào)節(jié)比例與風(fēng)向?qū)?yīng)，即0%～20%對應(yīng)于0°～360°。風(fēng)向角度以傳感器殼體上的指南線位置為180°參考點(diǎn)。

螺旋槳式風(fēng)傳感器一般還配有信號變送器，用于將風(fēng)速正弦頻率信號轉(zhuǎn)換為幅度為5V 的矩形波頻率信號，將風(fēng)向電位器阻值轉(zhuǎn)換為與0°～360°風(fēng)向?qū)?yīng)的0V～5V 模擬信號。

2.3.2 安裝

（1）螺旋槳式風(fēng)傳感器應(yīng)采用風(fēng)桿或風(fēng)塔安裝，風(fēng)傳感器電纜線從風(fēng)塔上配備的金屬材料穿線管或風(fēng)桿內(nèi)部中穿出；風(fēng)傳感器的指北標(biāo)識應(yīng)指向正北，方向誤差應(yīng)小于5°。（2）在風(fēng)塔或風(fēng)桿頂部裝配一個垂直于地面的傳感器固定桿，再將風(fēng)傳感器裝到固定桿上。將定位卡環(huán)向上移使定位凸塊嵌入風(fēng)傳感器的定位凹槽內(nèi)，轉(zhuǎn)動定位卡環(huán)和傳感器，使凹凸定位處指向正南，收緊定位卡環(huán)和傳感器上的不銹鋼喉箍，固定定位卡環(huán)和風(fēng)傳感器。（3）信號變送器固定到安裝桿上傳感器下方位置，將風(fēng)傳感器電纜接入到信號變送器中，風(fēng)傳感器電纜穿進(jìn)采集箱防水接頭，與采集器或接線端子排的對應(yīng)端子連接。（4）風(fēng)傳感器感應(yīng)部件的中心距地面高度應(yīng)為2m～12m。

2.3.3 調(diào)試

風(fēng)傳感器安裝完成后，輸入命令查看返回值，確認(rèn)儀器工作是否正常。

2.3.4 日常維護(hù)

（1）防纏繞。（2）由于精密滾珠軸承磨損導(dǎo)致起動風(fēng)速過大時，應(yīng)進(jìn)行更換。（3）更換精密滾珠軸承和風(fēng)向電位器時應(yīng)按規(guī)定操作。（4）每年春季對防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查，復(fù)測接地電阻。（5）按業(yè)務(wù)要求定期進(jìn)行檢定，檢定周期應(yīng)不超過2 年。（6）當(dāng)設(shè)備故障時應(yīng)及時進(jìn)行維護(hù)或維修。

2.4 超聲風(fēng)傳感器

2.4.1 原理

超聲波在空氣中的傳播速度會與氣流速度疊加，若傳播方向與風(fēng)向相同，其速度增大，反之則速度減小。通過測量二維的氣流速度并進(jìn)行矢量運(yùn)算得到風(fēng)向、風(fēng)速值。

超聲風(fēng)傳感器通過測量超聲波在空氣中傳播的時間來計算風(fēng)速，一般采用時差法來測量。時差法是通過一對超聲波換能器探頭在相對的兩個方向分別發(fā)射和接收超聲波脈沖，測量兩個方向的傳輸時間，計算得到氣流速度。發(fā)射端超聲換能器在激勵電路的驅(qū)動下，發(fā)出超聲波脈沖，接收端將接收的超聲脈沖轉(zhuǎn)換成電信號并進(jìn)行處理，從而測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間。通過兩個方向傳輸時間計算氣流速度的方法如下：

式中V為氣流速度；L為發(fā)射、接收探頭的距離；t1、t2為超聲波脈沖在兩個方向的傳輸時間。

2.4.2 組成結(jié)構(gòu)

超聲風(fēng)傳感器由超聲換能器、激勵電路、信號處理電路等組成。

3 風(fēng)傳感器的故障判斷及維修

3.1 風(fēng)向傳感器故障判斷及維修

判斷風(fēng)向傳感器有無異常的方法需要人工觀察，比如當(dāng)北方有冷空氣來襲，風(fēng)向傳感器顯示測量卻是其他方向，這個時候就說明出現(xiàn)故障，一般產(chǎn)生原因就是風(fēng)向傳感器在安裝時指北標(biāo)志出現(xiàn)問題。

若發(fā)現(xiàn)風(fēng)向傳感器的風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動數(shù)值并無明顯變化，那么一般這種情況的產(chǎn)生緣故是供電系統(tǒng)不符合要求，可能是供電電壓值過小，或者是沒有電壓，還有一種情況就是CAN 總線發(fā)生了短路或者是斷路。如若上述這些都沒有問題，有可能是風(fēng)向傳感器軸承太臟或軸承干澀，需要清潔維護(hù)。[2]

3.2 風(fēng)速傳感器故障判斷及維修

風(fēng)向風(fēng)速傳感器在氣溫較低的情況下容易出現(xiàn)凍結(jié)的狀況，因此風(fēng)向風(fēng)速傳感器內(nèi)部都要安裝加熱硬件，加熱硬件故障也是風(fēng)向風(fēng)速傳感器發(fā)生故障的原因之一，加熱軟件可以在冷天的時候維持風(fēng)向、風(fēng)速傳感器的溫度保持儀器運(yùn)作，一般氣溫低于4℃以下加熱硬件就會開始運(yùn)作。但是如果維護(hù)不當(dāng)，風(fēng)向風(fēng)速傳感器內(nèi)的加熱軟件停止了運(yùn)作，那么當(dāng)降溫的時候，風(fēng)向風(fēng)速傳感器的測量數(shù)值差異就會發(fā)生很大的變化，這個時候相關(guān)人員就要將風(fēng)向風(fēng)速傳感器內(nèi)的加熱硬件取出并替換維修，還要注意在風(fēng)向風(fēng)速傳感器的外殼縫隙上做一些防水的處理，重新安裝風(fēng)速傳感器。