风速传感器的分类以及风速传感器的测量原理

风速传感器是一种可以连续测量风速和风量（风量=风速x横截面积）大小的常见传感器。风速传感器大体上分为机械式（主要有螺旋桨式、风杯式）风速传感器、热风式风速传感器、皮托管风速传感器和基于声学原理的超声波风速传感器。关于每种传感器的工作原理，我们来一一了解一下。

一、螺旋桨式风速传感器进行工作基本原理

我们知道电风扇是由电动机驱动旋转它的叶片，在叶片前后产生压力差，从而驱动空气流动。螺旋桨风速表的工作原理正好相反。针对气流的叶片系统受到风压的影响，产生一定的扭矩使叶片系统旋转。通常螺旋桨式速度传感器测量风速通过旋转一套三或四叶螺旋桨围绕水平轴。螺旋桨通常安装在风向标的前面，使旋转面始终面向风的方向，其速度与风速成正比。

二、风杯式风速传感器进行工作基本原理

风杯风速传感器又称三杯风速传感器，是一种非常常见的风速传感器，最早由英国鲁本孙发明。 感应部分由三个或四个锥形或半球形的空杯组成。 空心杯壳固定在120°的三脚架星型支架上或相互90°的十字型支架上。 杯的凹面朝一个方向设置，整个横臂架固定在一个垂直旋转轴上。

当风从左方吹来时，风杯1与风向进行平行，风对风杯1的压力在最直于风杯轴方向上的分力可以近似为零。风杯2与3同风向成60度角角度相交，对风杯2而言，其凹面迎着风，承受的风压系数最大;风杯3其凸面迎风，风的绕流作用从而使其发展所受实际风压比风杯2小，由于风杯2与风杯3垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始一个顺时针运动方向以及旋转，风速影响越大，起始的压力差越大，产生的加速度越来越大，风杯转动速度越快。

当杯子开始旋转后，由于杯子2随风向旋转，风压降低，而杯子3随风以相同的速度旋转，风压增大，风压差减小，当三个杯子之间的分压差为零时，杯子均匀旋转。因此，风速可以根据风杯的速度(每秒转数)来确定。

当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过控制电路可以得到与风杯转速成正比的脉冲进行信号，该脉冲输出信号由计数器计数，经换算后就能分析得出企业实际工作风速值。目前我国新型转杯风速表均是我们采用三杯的，并且锥形杯的性能比半球形的好，当风速不断增加时转杯能迅速发展增加以及转速，以适应不同气流运动速度，风速减小时，由于中国惯性质量影响，转速却不能立即出现下降，旋转式风速表在阵性风里指示的风速数据一般是偏高的成为成本过高效应（产生的平均水平误差约为10%）

热风速传感器的工作原理

热式风速传感器以热丝（钨丝或铂丝）?或是以热膜（铂或铬制成薄膜）?为探头，裸露在被测空气，并将它接入惠斯顿电桥，通过惠斯顿电桥的电阻或电流的平衡关系，检测出被测截面空气的流速。热膜式风速传感器的热膜外涂有极薄的石英膜绝缘层，以便和流体绝缘，并可防止污染，可在带有颗粒的气流中工作，其强度比金属热线丝高。

当空气温度进行稳定发展不变时，热丝上的耗电最大功率可以等于热丝在空气中瞬时耗去的热量。热丝电阻随温度而变化，热线的电阻和热线工作温度在通常使用温度影响范围（0～300 ℃） 之内，表现为一个线性相关关系。放热反应系数与气流运动速度以及有关，流速作用越大，对应的放热系数也越大，即散热快；流速小，则散热慢。

风速传感器测得的风速是电流和电阻的函数。电流(或电阻) ？测得的气流速度只与电阻(或电流)有关？双射。

热线式风速传感器有恒流与恒温两种教学设计进行电路。恒温式热线风速传感器技术较为系统常用。恒温法原理是测量发展过程中可以保持热丝温度恒定，使电桥平衡，此时热丝电阻保持一个不变，气流运动速度不能只是一种电流的单值函数，根据学生已知的气流传播速度与电流的关系可求得企业通过网络末端处理装置的气流速度。恒流式热线风速传感器在测量研究过程中需要保持流经热丝的电流值不变。当电流值不变时，气流速度不是仅仅与热丝电阻有关。根据自己已知的气流速度与热丝电阻的关系可求得我们通过不同风速传感器的气流速度。

热线式风速传感器可测量脉动风速。恒流式风速传感器热惯性较大，恒温式风速传感器的热惯性相对较小，具有较高的速度响应。热线式风速传感器的测量精度均不很高，?使用时要注意温度补偿。

四、皮托管风速传感器技术工作基本原理

皮托管，也被称为“空速管” ，“风速管” ，是测量总压力和静压，以确定空气流动速度的管状装置，由法国人普托发明。

用实验方法直接测量气流的速度比较困难，但气流的压力则可以用测压计方便地测出。它主要是用来测量飞机速度的，同时还兼具其他多种功能。因此，可用皮托管测量压力，再应用伯努利定理算出气流的速度。皮托管由一个圆头的双层套管组成（见图），外套管直径为D，在圆头中心O处开一与内套管相连的总压孔，联接测压计的一头，孔的直径为0.3～0.6D。在外套管侧表面距O约3～8D的C处沿周向均匀地开一排与外管壁垂直的静压孔，联接测压计另一头，将皮托管安放在欲测速度的定常气流中，使管轴与气流的方向一致，管子前缘对着来流。当气流接近O点处，其流速逐渐减低，流至O点滞止为零。所以O点测出的是总压P。其次，由于管子很细，C点距O点充分远，因此C点处的速度和压力已经基本上恢复到同来流速度V和压力P相等的数值，因而在C点测出的是静压。对于低速流动，由伯努利定理得确定流速的公式为：

根据气压计P-P测量的总压力和静压差，以及流体的密度ρ，可以计算气流的速度。

五、超声波风速传感器技术工作基本原理

超声波风速传感器的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。由于声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。假如超声波的传播方向与风向相同，那么它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向与风向相反，那么它的速度会变慢。所以，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速传感器检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。

超声波风速传感器它具有重量轻、没有其他任何企业移动部件、坚固耐用的特点，?而且我们不需维护和现场校准，能同时通过输出风速和风向。客户可根据自己需要学生选择不同风速单位、输出频率及输出格式。也可根据实际需要教师选择加热装置（在冰冷环境下推荐产品使用）或模拟输出。可以与电脑、数据采集器或其它方面具有RS485或模拟输出相符合的采集技术设备连用。如果公司需要，也可以多台组成就是一个社会网络发展进行研究使用。

超声波风速计是一种先进的风速风向测量仪器。由于它很好地克服了机械风速和风向仪固有的缺陷，? ？因此，可以全天候、长期正常工作，越来越广泛地应用。它将成为机械式风速计的强大替代品。

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