本發(fā)明涉及氣象測量控制，特別是涉及一種風向測試儀及測試方法。

背景技術(shù)：

風向是指風吹來的方向，一般用十六方位法表示，風向的測量在實驗研究、天氣預報、電站監(jiān)督、航海、軍事等諸多領域有著廣泛而重要的應用。

在工程測量中，測定指定區(qū)域的風向一般采用氣象風向標。風標對空氣流動產(chǎn)生較大阻力的一端便會順風轉(zhuǎn)動，顯示風向。

現(xiàn)在市面上用于對風向測定的儀器都是基于風標的工作原理，一般通過增加傳感器、液晶顯示的電子元件提高測量的便捷性。但是，傳統(tǒng)型風標存在測量精度低，對局部氣流抗干擾性差的缺點。當局部風向稍有擾動，風標即會擺動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：提供一種測量精度高，使用方便以及便攜性好的風向測試儀及測試方法。

技術(shù)方案：一種風向測試儀，包括測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)；

測量系統(tǒng)，包括基座、安裝于該基座上的頭部殼體以及軸對稱安裝于頭部殼體內(nèi)兩側(cè)的至少三組壓力傳感器；包括前端和尾端，壓力傳感器由前端向尾端順次排布；

旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)動軸、底座以及伺服電機；所述轉(zhuǎn)動軸的一端與測量系統(tǒng)的基座連接，另一端與所述伺服電機的輸出軸連接；所述伺服電機設于底座內(nèi)；

控制系統(tǒng)，包括微處理器，該微處理器接收各壓力傳感器測量的風壓信號，并對每組風壓信號進行處理，輸出控制信號給伺服電機，控制伺服電機的正反轉(zhuǎn)，進一步控制頭部殼體的左右旋轉(zhuǎn)，以使頭部殼體前端指向來風方向。

進一步的，所述頭部殼體由兩片相同的機翼和底板拼接而成；其前端中空，由前端向尾端逐漸平滑變細。該頭部殼體的流線型結(jié)構(gòu)，可以減少外部擾動的產(chǎn)生，提高測量精度。

優(yōu)選的，所述基座設有豎直通孔，并通過底板上的通孔與頭部殼體連通；所述轉(zhuǎn)動軸是空心軸；所述傳感器的電源線和信號線依次穿過底板上的通孔、基座上的通孔和空心軸分別與電源模塊和微處理器連接?？梢员Ｗo電源線和信號線，同時節(jié)省空間。

進一步的，頭部殼體兩側(cè)機翼上對稱設有多組通孔，且每側(cè)機翼上的通孔位于同一水平線上；其中，壓力傳感器的橡皮管通過頭部殼體兩側(cè)機翼上的通孔伸出，壓力傳感器的通氣母管依次穿過底板上的通孔、基座上的通孔和空心軸伸入到底座里。

進一步的，所述微處理器控制伺服電機的正反轉(zhuǎn)圈數(shù)，防止電線纏繞抱死伺服電機。

進一步的，所述微處理器包括反饋控制模塊以及pid調(diào)節(jié)模塊。可以消除外部干擾信號對系統(tǒng)的影響，提高測量精度。

一種基于所述風向測試儀的測試方法，包括以下步驟：

(1)測量頭部殼體兩側(cè)的風壓

各組壓力傳感器分別測量頭部殼體兩側(cè)的風壓值，并輸入到控制系統(tǒng)；

(2)處理風壓信號

控制系統(tǒng)接收各組壓力傳感器測量的風壓值，并由微處理器按預設的算法進行處理；

(3)判定兩側(cè)風壓是否平衡

根據(jù)預設的判定條件，判斷兩側(cè)風壓是否平衡；若平衡，頭部殼體前端指向來風方向，伺服電機停止旋轉(zhuǎn)，等待后續(xù)信號；若不平衡，微處理器發(fā)出控制指令，驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)。

進一步的，所述步驟(2)中微處理器按以下公式計算每組壓力傳感器測量的壓力差：

其中，pi壓力傳感器測量的頭部殼體兩側(cè)的風壓值，i＝1,2…2n，n為自然數(shù)；且i為奇數(shù)項的風壓值位于同一側(cè)，i為偶數(shù)項的風壓值位于另一側(cè)；

進一步的，所述步驟(3)按如下方法判斷兩側(cè)風壓是否平衡：

若{△p1,△p2,…△pn}max≤p0，且p1>p3>…>p2n-1，p2>p4>…>p2n成立，判定兩側(cè)風壓平衡，頭部殼體前端指向來風方向，伺服電機停止旋轉(zhuǎn)，等待后續(xù)控制信號；

若{△p1,△p2,…△pn}max≤p0，且p1>p3>…>p2n-1，p2>p4>…>p2n不成立，判定兩側(cè)風壓不平衡，則微處理器根據(jù)風壓信號進行計算處理，發(fā)出控制指令，驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)；其中，當p1-p2>p0時，伺服電機正轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向p1側(cè)旋轉(zhuǎn)；當p1-p2<p0時，伺服電機反轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向p2側(cè)旋轉(zhuǎn)；當頭部殼體前端正對來風風向時，停止旋轉(zhuǎn)；其中，p0為壓力設定值，取值范圍為5pa～20pa。

進一步的，所述微處理器記錄伺服電極朝著同一方向轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，當伺服電機超過某一方向設定的轉(zhuǎn)動圈數(shù)后，處理器控制伺服電機朝反方向轉(zhuǎn)動，防止電線纏繞抱死伺服電機。

另一實施例中，一種風向測試儀，包括測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)；

測量系統(tǒng)，包括基座、安裝于該基座上的頭部殼體以及軸對稱安裝于頭部殼體內(nèi)兩側(cè)的至少三組壓力傳感器；所述頭部殼體為水滴形，包括前端和尾，壓力傳感器由前端向尾端順次排布；

旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)動軸、底座以及伺服電機；所述轉(zhuǎn)動軸的一端通過第一齒輪組與測量系統(tǒng)的基座連接，另一端通過第二齒輪組與所述伺服電機的輸出軸連接；所述伺服電機設于底座內(nèi)；

控制系統(tǒng)，包括微處理器，該微處理器接收各壓力傳感器測量的風壓信號，并對每組風壓信號進行處理，得到每組壓力傳感器的壓力差；

當各組壓力差均小于預設值，且風壓的壓力值由頭部殼體的前端向尾端梯度減小時；則判定兩側(cè)風壓平衡，頭部殼體前端指向來風方向，伺服電機停止旋轉(zhuǎn)，等待后續(xù)控制信號；

否則，判定兩側(cè)風壓不平衡，則微處理器根據(jù)風壓信號進行計算處理，發(fā)出控制指令，驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)。

進一步的，當兩側(cè)風壓不平衡時，若左側(cè)或右側(cè)風壓與右側(cè)或左側(cè)風壓的壓力差大于預設值，則伺服電機反轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向左側(cè)旋轉(zhuǎn)；若左側(cè)或右側(cè)風壓與右側(cè)或左側(cè)風壓的壓力差小于預設值，則伺服電機正轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向右側(cè)旋轉(zhuǎn)；當頭部殼體前端正對來風風向時，停止旋轉(zhuǎn)。

進一步的，所述頭部殼體由兩片相同的機翼和底板拼接而成；其前端中空，由前端向尾端逐漸平滑變細；所述底板上設有一通孔，兩側(cè)機翼上對稱設有多組通孔，且每側(cè)機翼上的通孔位于同一水平線上。

進一步的，所述頭部殼體內(nèi)設有若干位于同一水平面的支架，用于安裝壓力傳感器；其中，壓力傳感器的橡皮管通過頭部殼體兩側(cè)機翼上的通孔伸出。

優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)動軸是空心軸；所述傳感器的電源線和信號線依次穿過底板上的通孔，基座上的通孔，空心軸分別與電源模塊和微處理器連接；壓力傳感器的通氣母管依次穿過底板上的通孔，基座上的通孔和空心軸伸入到底座里。

進一步的，所述微處理器記錄伺服電極朝著同一方向轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，當伺服電機超過某一方向設定的轉(zhuǎn)動圈數(shù)后，處理器控制伺服電機朝反方向轉(zhuǎn)動，防止電線纏繞抱死伺服電機。

進一步的，所述微處理器包括反饋控制模塊以及pid調(diào)節(jié)模塊。

一種基于所述風向測試儀的測試方法，所述壓力傳感器有2n只，分為n組，由前端向尾端依次排布；包括以下步驟：

(1)測量頭部殼體兩側(cè)的風壓

各組壓力傳感器測量頭部殼體兩側(cè)的風壓值并輸出給控制系統(tǒng)；

(2)處理風壓信號

控制系統(tǒng)的微處理器按以下公式計算每組壓力傳感器測量的壓力差為：

其中，pi壓力傳感器測量的頭部殼體兩側(cè)的風壓值，i＝1,2…2n，n為自然數(shù)；且i為奇數(shù)項的風壓值位于同一側(cè)，i為偶數(shù)項的風壓值位于另一側(cè)；

(3)判定兩側(cè)風壓是否平衡

若{△p1,△p2,…△pn}max≤p0，且p1>p3>…>p2n-1，p2>p4>…>p2n成立，判定兩側(cè)風壓平衡，頭部殼體前端指向來風方向，伺服電機停止旋轉(zhuǎn)，等待后續(xù)控制信號；

若{△p1,△p2,…△pn}max≤p0，且p1>p3>…>p2n-1，p2>p4>…>p2n不成立，判定兩側(cè)風壓不平衡，則微處理器根據(jù)風壓信號進行計算處理，發(fā)出控制指令，驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)；其中，當p1-p2>p0時，伺服電機正轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向p1側(cè)旋轉(zhuǎn)；當p1-p2<p0時，伺服電機反轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向p2側(cè)旋轉(zhuǎn)；當頭部殼體前端正對來風風向時，停止旋轉(zhuǎn)；其中，p0為壓力設定值，取值范圍為5pa～20pa。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的風向測試儀通過對稱設置多組壓力傳感器，來測量測試儀兩側(cè)的多組風壓，控制系統(tǒng)對壓力信號進行處理，來精確控制伺服電機的旋轉(zhuǎn)，進而控制頭部殼體的旋轉(zhuǎn)，使其前端指向來風方向，達到精確測量風向的目的。利用伺服電機通電自鎖性，消除風標的阻力簡諧振動，增強了抗干擾性。通過微處理器記錄并控制伺服電機朝著同一方向轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，來防止電線纏繞抱死伺服電機，導致電機燒壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。通過齒輪傳動，克服了阻尼帶來的測量誤差。通過引入pid反饋控制調(diào)節(jié)，提高了對局部氣流的抗干擾性，提高了測量準確度。該風向測試儀可以自動對指定區(qū)域的風向進行測量，不用人為讀數(shù)和記錄，測量迅速，并且具有較高的抗外界干擾能力；棱角少，質(zhì)量輕以及便攜性好。

附圖說明

圖1是風向測試儀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是頭部殼體的剖面圖；

圖3是控制系統(tǒng)原理圖；

圖4是測試方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的風向測試儀進行詳細的描述。

本發(fā)明的風向測試儀包括測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)；如圖1和圖2所示，測量系統(tǒng)包括頭部殼體2，其安裝于基座1上，頭部殼體內(nèi)設有三組sm5852-015w-d型壓力傳感器，用于測量頭部殼體兩側(cè)的風壓。頭部殼體由兩片相同的機翼型abs塑料拼接而成，底部設有底板；頭部殼體的前端21向其尾端22為平滑過渡的曲面(即水滴形)，頭部需要保證光滑，減少擾動產(chǎn)生；底板上開有通孔24。頭部殼體的兩側(cè)機翼上設有對稱的三組通孔23，且三組通孔位于同一水平面上；進一步的，頭部殼體內(nèi)設有三個支架25，用于安裝sm5852-015w-d型壓力傳感器；頭部殼體中空，用于壓力傳感器電源線和信號線的布線。

旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)動軸3、伺服電機以及底座4；轉(zhuǎn)動軸的上端通過第一齒輪組與測量系統(tǒng)的基座連接，另一端通過第二齒輪組與伺服電機的輸出軸連接；伺服電機、第二齒輪組以及控制系統(tǒng)的arduino開源電子原型平臺，均設于底座內(nèi)；其中，伺服電機型號為東興威電機24byj48。

控制系統(tǒng)包括arduino開源電子原型平臺，該arduino開源電子原型平臺包括電源模塊和微處理器；所述微處理器包括反饋控制模塊以及pid調(diào)節(jié)模塊。該電源模塊為系統(tǒng)提供電能，型號為ltc3780，12v穩(wěn)壓電源模塊；控制原理圖如圖3所示，微處理器接收測量系統(tǒng)的六只壓力傳感器測量的風壓信號和外部擾動信號，并對每組風壓信號進行處理，得到多個壓力差，根據(jù)所述各壓力差和各風壓信號進行處理，并通過pid反饋調(diào)節(jié)來消除外部擾動信號，發(fā)出控制信號。

當各組壓力差均小于預設值，且風壓的壓力值由頭部殼體的前端向尾端梯度減小時；則判定兩側(cè)風壓平衡，頭部殼體前端指向來風方向，伺服電機停止旋轉(zhuǎn)，等待后續(xù)控制信號；

否則，判定兩側(cè)風壓不平衡，則微處理器根據(jù)風壓信號進行計算處理，發(fā)出控制指令，驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)，使得頭部殼體轉(zhuǎn)動α角度。

當兩側(cè)風壓不平衡時，若左側(cè)或右側(cè)風壓與右側(cè)或左側(cè)風壓的壓力差大于預設值，則伺服電機反轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向左側(cè)旋轉(zhuǎn)；若左側(cè)或右側(cè)風壓與右側(cè)或左側(cè)風壓的壓力差小于預設值，則伺服電機正轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向右側(cè)旋轉(zhuǎn)；當頭部殼體前端正對來風風向時，停止旋轉(zhuǎn)。

另外，控制過程中微處理器記錄伺服電極朝著同一方向轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，當伺服電機超過某一方向設定的轉(zhuǎn)動圈數(shù)后，微處理器控制伺服電機朝反方向轉(zhuǎn)動，防止電線纏繞抱死伺服電機。

進一步的，基座為扁圓柱形，設有豎直中心孔；轉(zhuǎn)動軸為中空軸，在保證機械強度的前提下，壓力傳感器的信號線和電源線由底板上的通孔，經(jīng)基座上的通孔，穿過空心轉(zhuǎn)動軸，與底座內(nèi)的arduino開源電子原型平臺電連接。

進一步的，sm5852-015w-d型壓力傳感器包括一個橡皮管和一個通氣母管，通氣母管從底板上的通孔，經(jīng)基座上的通孔，穿過空心轉(zhuǎn)動軸伸入到底座內(nèi)，底座不密封，壓力保持與靜態(tài)大氣壓力一致。壓力傳感器橡皮管由兩側(cè)機翼上的通孔伸出，通孔大小與橡皮管外徑大小一致。

測量原理為：該風向儀利用空氣擾流曲面產(chǎn)生壓降的原理，當測量系統(tǒng)頭部處于風場中，風沿機翼表面繞流，在翼型尾部風壓降低，與頭部前端形成壓差。若頭部中軸線未能正對來風風向，則頭部兩側(cè)的風壓信號不等，將每組壓力差和各風壓信號引出，通過控制系統(tǒng)的arduino開源電子原型平臺對測量系統(tǒng)頭部送來的壓力差和風壓信號進行處理，并在微處理器中實現(xiàn)反饋控制、比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)以及微分調(diào)節(jié)等功能；在經(jīng)arduino處理之后，向伺服電機發(fā)送信號，帶動伺服電機運動，經(jīng)過齒輪組變速，帶動空心軸旋轉(zhuǎn)，使得頭部繞軸旋轉(zhuǎn)，使得測試儀頭部正對來風方向。當頭部中軸線正對來風風向時，頭部兩側(cè)壓差相等，伺服電機停止工作，實現(xiàn)對風來向的測定。同時，處理器記錄伺服電機朝著同一方向轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，當伺服電機已經(jīng)超某一方向轉(zhuǎn)動一定圈數(shù)之后，伺服電機不再根據(jù)有測量系統(tǒng)頭部傳來的信號轉(zhuǎn)動，而是朝反方向轉(zhuǎn)動數(shù)圈，防止電線纏繞抱死伺服電機，導致電機燒壞，提高系統(tǒng)的可靠性。同時，該測試儀通過伺服電機，克服阻尼帶來的測量誤差，利用伺服電機帶電自鎖性，消除風向儀的阻力簡諧振動，增強抗干擾性。

其中，pid控制調(diào)節(jié)的基本輸入輸出關(guān)系如下式所示：

其中，δ為比例系數(shù)，t1為積分時間常數(shù)，td為微分時間常數(shù)，e(t)為控制系統(tǒng)的偏差信號，e(t)＝p(t)-0，p(t)為壓力傳感器信號經(jīng)過初步處理所得到的壓差與時間的函數(shù)；

一種基于上述風向測試儀的測試方法，具體測試方法流程如圖4所示，所述壓力傳感器有6只，分為三組，由前端向尾端依次為第一組，第二組和第三組；包括以下步驟：

(1)測量頭部殼體兩側(cè)的風壓信號

第一組、第二組和第三組壓力傳感器測量的頭部殼體左側(cè)的風壓值為第一風壓值p1，第三風壓值p3和第五風壓值p5，右側(cè)的風壓值為第二風壓值p2，第四風壓值p4和第六風壓值p6；

(2)處理風壓信號

三組壓力傳感器測量的風壓信號輸入到控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)的微處理器進行處理，按以下公式計算每組壓力傳感器測量的壓力差為：

△p1＝p1-p2

△p2＝p3-p4

△p3＝p5-p6

(3)判定兩側(cè)風壓是否平衡

若{△p1,△p2,△p3}max≤p0，且p1>p3>p5，p2>p4>p6成立，判定兩側(cè)風壓平衡，頭部殼體前端指向來風方向，伺服電機停止旋轉(zhuǎn)，等待后續(xù)控制信號；

若{△p1,△p2,△p3}max≤p0，且p1>p3>p5，p2>p4>p6不成立，判定兩側(cè)風壓不平衡，則微處理器根據(jù)風壓信號進行計算處理，發(fā)出控制指令，驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)；其中，當p1-p2>p0時，即左側(cè)風壓值大于右側(cè)風壓值，伺服電機正轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向左側(cè)旋轉(zhuǎn)；當p1-p2<p0時，即左側(cè)風壓值小于右側(cè)風壓值，伺服電機反轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動軸帶動頭部殼體向右側(cè)側(cè)旋轉(zhuǎn)；當頭部殼體前端正對來風風向時，停止旋轉(zhuǎn)；其中，p0為壓力設定值，取值范圍為5pa～20pa。

另外，控制過程中微處理器記錄伺服電極朝著同一方向轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，當伺服電機超過某一方向設定的轉(zhuǎn)動圈數(shù)后，微處理器控制伺服電機朝反方向轉(zhuǎn)動，防止電線纏繞抱死伺服電機。