三类测风传感器的原理及性能比较

　　目前气象部门所使用的机械旋转式测风传感器,主要是风杯和风向标,都存在转动惯性,因此不可能得到风矢量的瞬时变化值,这对阵风的测量和研究造成了困难。在用旋转式传感器测量时,风矢量是作为风向和风速两个量分别处理的,在时间和空间上都不同步,再加上风的湍流特征,其测量结果与实际的风矢量之间有较大的误差[1]。尤其是在风向和风速传感器的起动风速不同时,可能造成完全错误的测量结果。随着社会的发展和科技的进步,在地面气象观测领域,越来越多的先进技术应用到风向风速的测量上,先后涌现出热线式传感器、超声波式风向风速传感器、硅压阻固态正交风向风速传感器等测风传感器,本文就这三类测风传感器做一个介绍和比较,供读者参考

　　1　热线式测风传感器

　　热线式测风传感器是将流速信号转变为电信号的一种测速传感器,其基本原理是将一根细的金属丝放在流体中,通电流加热金属丝,使其温度高于流体的温度,因此将金属丝称为“热线”。热线长度一般为0·5~2 mm,直径在1~10μm之间,材料为铂、钨或铂铑合金等。热线在流体中的散热量与流速有关,而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化,流速信号即转变成电信号[2]。图1是基于热线式测风传感器的热线风速仪。

　　设被电流加热的金属丝产生的热量为θ1;热线处于气流速度为v的流场中散失的热量为θ2,当两者达到热交换平衡时,可得:

　　式中,A、B为常数。其中,A代表分子的散热作用;B代表气流的作用;(t-θ)为热线与气温的温差。由(1)式可见,若固定电流I,便可确定v与(t-θ)的关系(恒流式);若保持(t-θ)不变,便可确定v与I的关系(恒温式)。

　　热线除普通的单线式外,还可以是组合的双线式或三线式,用以测量各个方向的速度分量,并且能够扩大测速功能,如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其它湍流参数的测量。从热线输出的电信号,经放大、补偿和数字化后输入计算机,计算机自动完成数据处理过程。

　　2　超声波式测风传感器

　　超声波式测风传感器是应用声波来探测风速风向的一种测风传感器。在平静空气中,声波的传播速度会被在风方向的空气流动所改变。如果风向和声波的传播方向相同,就会增大声波的传播速度,反之则会减小声波的速度,其测量原理基于超声波的传输时间[3]。超声波风速仪的传感器一般共有三组,有两组安装在水平方向上成90°,另一组安装在垂直方向上,每组分别有一个超声波发射器和接收器。通过对这两种传输时间的测量,由微控制器计算通路间的风速。计算出的风速不受高度、温度和湿度的影响。图2是基于超声波式测风传感器的超声波测风仪。