本發(fā)明涉及風(fēng)速測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)速測(cè)量儀及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

目前市場(chǎng)上使用的風(fēng)速計(jì)包括風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)、螺旋槳式風(fēng)速計(jì)、熱線風(fēng)速計(jì)和數(shù)字式風(fēng)速計(jì)等。

風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)是最常見的一種風(fēng)速計(jì)。轉(zhuǎn)杯式風(fēng)速計(jì)最早由英國魯賓孫發(fā)明，當(dāng)時(shí)是四杯，后來改用三杯。三個(gè)互成120度固定在架上的拋物形或半球形的空杯都順一面，整個(gè)架子連同風(fēng)杯裝在一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上。在風(fēng)力的作用下風(fēng)杯繞軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速。轉(zhuǎn)速可以用電觸點(diǎn)、測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電計(jì)數(shù)器等記錄。

螺旋槳式風(fēng)速計(jì)是一組三葉或四葉螺旋槳繞水平軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)速計(jì)。螺旋槳裝在一個(gè)風(fēng)標(biāo)的前部，使其旋轉(zhuǎn)平面始終正對(duì)風(fēng)的來向，它的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速。

上述的各種風(fēng)速測(cè)量儀，普遍使用的是需要耗能的風(fēng)速傳感器，這就造成了一定的能源消耗的增加，其次某些傳感器的響應(yīng)時(shí)間慢，精度也不高，而要求高精度，相應(yīng)價(jià)格也會(huì)貴很多。還有一些風(fēng)速測(cè)量儀，結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，制作耗時(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)速計(jì)的至少一個(gè)缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)速測(cè)量儀及其測(cè)量方法，結(jié)合摩擦發(fā)電的原理設(shè)計(jì)一種精度高，響應(yīng)時(shí)間快，且結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜的風(fēng)速測(cè)量儀，并且提供其測(cè)量方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種風(fēng)速測(cè)量儀，包括基座、旋轉(zhuǎn)安裝在基座上的支架，所述支架上固定安裝有風(fēng)杯，其關(guān)鍵在于：還包括摩擦發(fā)電傳感器，該摩擦發(fā)電傳感器包括相互摩擦接觸的活動(dòng)摩擦組件和固定感應(yīng)組件；

活動(dòng)摩擦組件包括支撐桿、摩擦頭、摩擦膜，支撐桿的上端固定在支架上，下端固定設(shè)置有摩擦頭，摩擦頭的表面設(shè)置有摩擦膜，所述摩擦膜為得電子材料薄膜；

固定感應(yīng)組件包括固定在一起且依次疊放的第一金屬電極板、第一隔板、第二金屬電極板、第二隔板，固定感應(yīng)組件固定在基座上表面，其中第一金屬電極板位于摩擦膜的旋轉(zhuǎn)半徑上；

所述第一金屬電極板、第二金屬電極板分別連接穩(wěn)壓電路的兩個(gè)輸入端，所述穩(wěn)壓電路的輸出端連接單片機(jī)的信號(hào)輸入端，單片機(jī)還設(shè)置有顯示端組，該顯示端組連接有顯示器。

本發(fā)明是基于最新的摩擦發(fā)電技術(shù)開發(fā)的一種風(fēng)速測(cè)量儀，摩擦頭可通過粘接或其它方式固定在支撐桿的下端，摩擦膜可通過粘接或其它方式固定貼附在摩擦頭的表面，第一金屬電極板、第一隔板、第二金屬電極板、第二隔板可通過粘接或卡接或其它方式疊合在一起并固定在基座上，第一金屬電極板朝向摩擦膜并與摩擦膜接觸，第二隔板與基座的上表面接觸。

由于活動(dòng)摩擦組件的摩擦膜由支架帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周與第一金屬電極板摩擦一次。由于摩擦生電，如果將第一金屬電極板經(jīng)電阻連接第二金屬電極板便可在兩者之間輸出一個(gè)脈沖電壓。在第一金屬電極板、第二金屬電極板分別引出一根線，連接穩(wěn)壓電路，再利用穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后輸入給單片機(jī)，單片機(jī)檢測(cè)連續(xù)兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間T，再接合摩擦膜與第一金屬電極板的接觸點(diǎn)到支架的旋轉(zhuǎn)中心的半徑R，即可計(jì)算出風(fēng)速，通過顯示器進(jìn)行顯示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，便于廣泛推廣與應(yīng)用。

所述穩(wěn)壓電路包括集成運(yùn)放，所述第一金屬電極板經(jīng)電阻R3連接第二金屬電極板，電阻R3還并聯(lián)有電容C4，所述第一金屬電極板還連接集成運(yùn)放的同相輸入端，所述第二金屬電極板還連接集成運(yùn)放的反相輸入端，集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)電阻R4連接單片機(jī)的信號(hào)輸入端。

由于摩擦發(fā)電傳感器會(huì)因摩擦力的不同產(chǎn)生高低不等的電壓，電壓過低會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)無法接收觸發(fā)信號(hào)，電壓過高會(huì)將單片機(jī)內(nèi)部電路燒毀，摩擦發(fā)電傳感器的輸出電壓經(jīng)集成運(yùn)放后再連接單片機(jī)，當(dāng)電壓過低時(shí)，會(huì)提高摩擦發(fā)電傳感器的靈敏度，當(dāng)電壓過高時(shí)，可以保護(hù)單片機(jī)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出端電壓恒定。

電容C4用于對(duì)第一金屬電極板與摩擦膜產(chǎn)生的摩擦電壓信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，形成比較整齊的矩形脈沖信號(hào)。

所述摩擦頭為半圓柱狀，摩擦頭的圓弧面朝下，且貼附所述摩擦膜。

采用上述結(jié)構(gòu)使摩擦膜與第一金屬極板的接觸良好，半圓柱狀的摩擦頭便于摩擦頭與第一金屬電極板摩擦?xí)r的切入與切出，避免碰闖，提高使用壽命，便于加工，摩擦頭的圓弧面的相對(duì)面通過粘接方式固定在支撐桿的下端。

所述支撐桿材料為亞克力，所述摩擦頭的材料為海綿。

支撐桿采用亞克力能夠減輕風(fēng)速測(cè)量儀的重量且絕緣，摩擦頭采用海綿具有彈性，能夠減輕摩擦膜的磨損，提高使用壽命。

所述第一金屬電極板的上表面固定設(shè)置有半球狀凸起陣列。

半球狀凸起陣列能夠增加第一金屬電極板與摩擦膜的接觸效果。

所述得電子材料薄膜或是PTFE膜、或是FEP膜、或是PET膜、或是PDMS膜、或是Parylene F膜、或是Kapton膜；

所述第一金屬電極板、第二金屬電極板均為銅片；第一隔板、第二隔板均為亞克力板。

Kapton膜是聚酰亞胺(PI)薄膜材料的商品名稱。Parylene膜是聚對(duì)二甲苯薄膜，PDMS膜是聚二甲基硅氧烷薄膜；PET膜是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜；FEP膜是氟化乙烯丙烯共聚物薄膜；PTFE膜是聚四氟乙烯薄膜。

上述材料價(jià)格便宜，容易得到。

一種風(fēng)速測(cè)量儀的測(cè)量方法，用于所述的風(fēng)速測(cè)量儀，其關(guān)鍵在于，包括如下步驟：

步驟a:獲取摩擦發(fā)電傳感器的第N次觸發(fā)時(shí)間T1；

步驟b:獲取摩擦發(fā)電傳感器的第N+1次觸發(fā)時(shí)間T2；

步驟c:計(jì)算摩擦發(fā)電傳感器的第N次與第N+1次的觸發(fā)時(shí)間間隔T，T＝T2-T1；

步驟d:計(jì)算風(fēng)速V，V＝2πR/T，其中R為摩擦膜與第一金屬電極板接觸點(diǎn)繞支架軸心旋轉(zhuǎn)的半徑；

步驟e:通過顯示器顯示風(fēng)速V。

單片機(jī)通過連續(xù)檢測(cè)摩擦發(fā)電傳感器的兩次觸發(fā)間隔時(shí)間T，結(jié)合摩擦膜與第一金屬電極板的接觸點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑就可很方便地算出風(fēng)速V，不斷重復(fù)上述測(cè)量方法，可以對(duì)風(fēng)速進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

當(dāng)外界風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)杯帶動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)摩擦發(fā)電傳感器上的摩擦膜隨即轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)一圈，摩擦膜將會(huì)與固定在基座上的第一金屬電極接觸分離一次，從而產(chǎn)生一個(gè)脈沖電平信號(hào)，利用電阻接在第一金屬電極和第二金屬電極之間，便可在電阻兩端輸出電壓脈沖信號(hào)，再讀取相鄰兩個(gè)電壓脈沖信號(hào)間隔時(shí)間T，該間隔時(shí)間T即是風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間T，利用線速度公式其中R為摩擦膜與第一金屬電極板接觸點(diǎn)繞支架軸心旋轉(zhuǎn)的半徑，便可以得到相應(yīng)的線速度V也就是風(fēng)速，再通過顯示電路顯示。本發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)在于摩擦發(fā)電傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，摩擦發(fā)電傳感器完全不需要外接電源，而且總體設(shè)計(jì)簡單，響應(yīng)時(shí)間快，整體價(jià)格也非常低廉。

所述穩(wěn)壓電路、單片機(jī)、顯示器由電池供電或由交流電源經(jīng)變壓裝置變壓后供電。

電池供電可節(jié)省變壓裝置，采用交流電源經(jīng)變壓裝置供電可免去更換電池或充電的煩惱，可根據(jù)需要選擇。

顯著效果：本發(fā)明提供了一種風(fēng)速測(cè)量儀及其測(cè)量方法，結(jié)合摩擦發(fā)電的原理設(shè)計(jì)了一種精度高，響應(yīng)時(shí)間快，且結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜的風(fēng)速測(cè)量儀，并且提供了其測(cè)量方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1的A部放大圖；

圖3為圖2的爆炸圖；

圖4為本發(fā)明的電路模塊圖。

圖5為本發(fā)明的電路圖。

圖6為本發(fā)明的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示，一種風(fēng)速測(cè)量儀，包括基座1、旋轉(zhuǎn)安裝在基座1上的支架2，所述支架2上固定安裝有風(fēng)杯3，還包括摩擦發(fā)電傳感器4，該摩擦發(fā)電傳感器4包括相互摩擦接觸的活動(dòng)摩擦組件41和固定感應(yīng)組件42；

活動(dòng)摩擦組件41包括支撐桿41a、摩擦頭41b、摩擦膜41c，支撐桿41a的上端固定在支架2上，下端固定設(shè)置有摩擦頭41b，摩擦頭41b的表面設(shè)置有摩擦膜41c，所述摩擦膜41c為得電子材料薄膜；

固定感應(yīng)組件42包括固定在一起且依次疊放的第一金屬電極板42a、第一隔板42b、第二金屬電極板42c、第二隔板42d，固定感應(yīng)組件42固定在基座1上表面，其中第一金屬電極板42a位于摩擦膜41c的旋轉(zhuǎn)半徑上；

所述第一金屬電極板42a、第二金屬電極板42c分別連接穩(wěn)壓電路5的兩個(gè)輸入端，所述穩(wěn)壓電路5的輸出端連接單片機(jī)6的信號(hào)輸入端，單片機(jī)6還設(shè)置有顯示端組，該顯示端組連接有顯示器7。

摩擦頭41b可通過粘接或其它方式固定在支撐桿41a的下端，摩擦膜41c可通過粘接或其它方式固定貼附在摩擦頭41b的表面，第一金屬電極板42a、第一隔板42b、第二金屬電極板42c、第二隔板42d可通過粘接或卡接或其它方式疊合在一起并固定在基座1的上表面，第一金屬電極板42a朝向摩擦膜41c并與摩擦膜41c接觸，第二隔板42d與基座1的上表面接觸。

由于活動(dòng)摩擦組件41的摩擦膜41c由支架2帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周與第一金屬電極板42a摩擦一次。由于摩擦發(fā)電，如果將第一金屬電極板42a經(jīng)電阻R3連接第二金屬電極板42c便可在兩者之間輸出一個(gè)脈沖電壓。在第一金屬電極板42a、第二金屬電極板42c分別引出一根線，連接穩(wěn)壓電路5，再利用穩(wěn)壓電路5穩(wěn)壓后輸入給單片機(jī)6，單片機(jī)6檢測(cè)連續(xù)兩個(gè)脈沖電壓的間隔時(shí)間T，再接合摩擦膜41c與第一金屬電極板42a的接觸點(diǎn)到支架2的旋轉(zhuǎn)中心的半徑R，即可計(jì)算出風(fēng)速V，通過顯示器7進(jìn)行顯示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，便于廣泛推廣與應(yīng)用。

所述穩(wěn)壓電路5包括集成運(yùn)放，所述第一金屬電極板42a經(jīng)電阻R3連接第二金屬電極板42c，電阻R3還并聯(lián)有電容C4，所述第一金屬電極板42a還連接集成運(yùn)放的同相輸入端，所述第二金屬電極板42c還連接集成運(yùn)放的反相輸入端，集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)電阻R4連接單片機(jī)6的信號(hào)輸入端。

電容C4用于對(duì)第一金屬電極板42a與摩擦膜41c產(chǎn)生的摩擦電壓信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，形成比較整齊的矩形脈沖信號(hào)。

由于摩擦發(fā)電傳感器4會(huì)因摩擦力的不同產(chǎn)生高低不等的電壓，電壓過低會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)6無法接收觸發(fā)信號(hào)，電壓過高會(huì)將單片機(jī)6內(nèi)部電路燒毀，摩擦發(fā)電傳感器4的輸出電壓經(jīng)集成運(yùn)放后再連接單片機(jī)6，在電壓較低時(shí)，會(huì)提高摩擦發(fā)電傳感器4的靈敏度，在電壓較高時(shí)，可以保護(hù)單片機(jī)6，因?yàn)檫\(yùn)放的輸出端電壓恒定。

所述摩擦頭41b為半圓柱狀，摩擦頭41b的圓弧面朝下，且貼附所述摩擦膜41c。

采用上述結(jié)構(gòu)使摩擦膜41c與第一金屬極板的接觸良好，半圓柱狀的摩擦頭41b便于與第一金屬電極板42a接觸時(shí)的切入與切出，避免碰闖，提高使用壽命，便于加工，摩擦頭41b的圓弧面的相對(duì)端面粘接在支撐桿41a的下端。

所述支撐桿41a材料為亞克力，所述摩擦頭41b的材料為海綿。

支撐桿41a采用亞克力能夠減輕風(fēng)速測(cè)量儀的重量且絕緣，摩擦頭41b采用海綿具有彈性，能夠減輕摩擦膜41c的磨損，提高使用壽命。

所述第一金屬電極板42a的上表面固定設(shè)置有半球狀凸起陣列。

半球狀凸起陣列能夠增加第一金屬電極板42a與摩擦膜41c的接觸效果。

所述得電子材料薄膜或是PTFE膜、或是FEP膜、或是PET膜、或是PDMS膜、或是Parylene F膜、或是Kapton膜；

所述第一金屬電極板42a、第二金屬電極板42c均為銅片；第一隔板42b、第二隔板42d均為亞克力板。

Kapton膜是聚酰亞胺(PI)薄膜材料的商品名稱。Parylene膜是聚對(duì)二甲苯薄膜，PDMS膜是聚二甲基硅氧烷薄膜；PET膜是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜；FEP膜是氟化乙烯丙烯共聚物薄膜；PTFE膜是聚四氟乙烯薄膜。

上述材料價(jià)格便宜，容易得到。

一種風(fēng)速測(cè)量儀的測(cè)量方法，用于所述的風(fēng)速測(cè)量儀，包括如下步驟：

步驟a:獲取摩擦發(fā)電傳感器4的第N次觸發(fā)時(shí)間T1；

步驟b:獲取摩擦發(fā)電傳感器4的第N+1次觸發(fā)時(shí)間T2；

步驟c:計(jì)算摩擦發(fā)電傳感器4的第N次與第N+1次的觸發(fā)時(shí)間間隔T，T＝T2-T1；

步驟d:計(jì)算風(fēng)速V，V＝2πR/T，其中R為摩擦膜41c與第一金屬電極板42a接觸點(diǎn)繞支架2軸心旋轉(zhuǎn)的半徑；

步驟e:通過顯示器7顯示風(fēng)速V。

單片機(jī)通過檢測(cè)摩擦發(fā)電傳感器4的兩次觸發(fā)時(shí)間隔T，再結(jié)合為摩擦膜41c與第一金屬電極板42a接觸點(diǎn)繞支架2軸心旋轉(zhuǎn)的半徑便可輕松計(jì)算出風(fēng)速V，重復(fù)上述測(cè)量方法，可以對(duì)風(fēng)速V進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

當(dāng)外界風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)杯3帶動(dòng)支架2旋轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)摩擦發(fā)電傳感器4上的摩擦膜41c隨即轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)一圈，摩擦膜41c將會(huì)與固定在基座1上的第一金屬電極42a接觸分離一次，從而產(chǎn)生一個(gè)脈沖電平信號(hào)，利用電阻接在第一金屬電極42a和第二金屬電極42c之間，便可在電阻兩端輸出電壓脈沖信號(hào)，再讀取相鄰兩個(gè)脈沖電壓信號(hào)的間隔時(shí)間T，該間隔時(shí)間T即是風(fēng)杯3旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間T，利用線速度公式其中R為摩擦膜41c與第一金屬電極板42a接觸點(diǎn)繞支架2軸心旋轉(zhuǎn)的半徑，便可以得到相應(yīng)的線速度V也就是風(fēng)速，再通過顯示電路顯示。本發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)在于摩擦發(fā)電傳感器4設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)無源，摩擦發(fā)電傳感器4完全不需要外接電源，而且總體設(shè)計(jì)簡單，響應(yīng)時(shí)間快，整體價(jià)格也非常低廉。

所述穩(wěn)壓電路5、單片機(jī)6、顯示器7由電池供電或由交流電源經(jīng)變壓裝置變壓后供電。

電池供電可節(jié)省變壓裝置，采用交流電源經(jīng)變壓裝置供電可免去更換電池或充電的煩惱，可根據(jù)需要選擇。

本發(fā)明提供了一種風(fēng)速測(cè)量儀及其測(cè)量方法，通過結(jié)合摩擦發(fā)電的原理設(shè)計(jì)了一種精度高，響應(yīng)時(shí)間快，且結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜的風(fēng)速測(cè)量儀，并且提供了其測(cè)量方法。

最后，需要注意的是：以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子，當(dāng)然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改動(dòng)和變型，倘若這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。