一）簡介：

風(fēng)是由許多小(xiǎo)尺度的(de)脈動，疊加在大尺度規則氣流上(shàng)的(de)三維矢量。但(dàn)在氣象學上(shàng)，卻把空氣的(de)水(shuǐ)平移動叫作(zuò)風(fēng)，即把它作(zuò)為(wèi)二維矢量來(lái)考慮。由兩個(gè)參數來(lái)确定，即風(fēng)速（風(fēng)矢量的(de)模數）和(hé)風(fēng)向（風(fēng)矢量的(de)幅角）。

空氣團運動速度的(de)方向稱為(wèi)風(fēng)向。如果氣流從(cóng)東吹來(lái)就稱為(wèi)東風(fēng)。風(fēng)向可由風(fēng)向标，等儀器(qì)指示出來(lái)，從(cóng)風(fēng)向标與一固定不變的(de)主方位指示杆之間(jiān)的(de)相(xiàng)對(duì)位置就可以觀測出風(fēng)向。

風(fēng)向标是由風(fēng)尾、指向杆、平衡重錘和(hé)旋轉主軸四個(gè)部分組成，見圖1。風(fēng)尾是感受風(fēng)力的(de)部件(jiàn)，在風(fēng)力的(de)作(zuò)用下(xià)産生(shēng)旋轉力矩，使指示杆-風(fēng)尾軸線不斷調整它的(de)取向，與風(fēng)向保持一緻。指向杆指向風(fēng)的(de)來(lái)向。平衡重錘安裝在指向杆上(shàng)，使整個(gè)風(fēng)向标對(duì)支點保持重力矩平衡。旋轉主軸則是風(fēng)向标的(de)轉動中心，并通(tōng)過它帶動傳感器(qì)件(jiàn)，把風(fēng)向标指示的(de)度數傳送到室內(nèi)的(de)指示儀器(qì)上(shàng)。

                      

圖1

測量風(fēng)速的(de)儀表可以分為(wèi)三大類：旋轉式、壓力式和(hé)其他(tā)形式。我們采用的(de)是旋轉式風(fēng)速表。

最常用的(de)旋轉式風(fēng)速表是如圖1的(de)風(fēng)杯式風(fēng)速表。在這(zhè)種風(fēng)速表裏，由3個(gè)風(fēng)杯與短軸連接組成的(de)轉子(zǐ)在球軸承上(shàng)旋轉，轉軸下(xià)部驅動一個(gè)被包圍的(de)在定子(zǐ)中的(de)多級永磁體(tǐ)。指示器(qì)測出随風(fēng)速變化(huà)的(de)電(diàn)壓，顯示對(duì)應的(de)風(fēng)速值。當風(fēng)速達到1~2m/s時(shí)，風(fēng)杯式風(fēng)速表就可以啓動了。風(fēng)速由10m/s突然變化(huà)到20m/s時(shí)。風(fēng)速表記錄到19m/s值的(de)響應時(shí)間(jiān)為(wèi)1.3s。

還(hái)有(yǒu)如同微(wēi)型多葉片風(fēng)力機(jī)的(de)風(fēng)速表，如圖2所示。由于它的(de)風(fēng)輪葉片多，因而風(fēng)輪工(gōng)作(zuò)轉速低(dī)，需要增速齒輪增速後再獲取風(fēng)速測量值；此外(wài)，它的(de)啓動風(fēng)速也低(dī)。

           

上(shàng)面兩種各有(yǒu)特點和(hé)優劣。風(fēng)杯式風(fēng)速表可以保持其轉速與所測風(fēng)速有(yǒu)良好(hǎo)的(de)線性關系，但(dàn)是所需要的(de)啓動風(fēng)速高(gāo)，相(xiàng)應的(de)靈敏度也就差些。而微(wēi)型多葉片風(fēng)速表剛好(hǎo)與之相(xiàng)反。

所以，多葉片風(fēng)速表主要用于實驗室，而風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器(qì)則可用于野外(wài)等惡劣氣候條件(jiàn)。

由原理(lǐ)可知，我們隻需測得轉速，便可有(yǒu)轉速-風(fēng)速的(de)線性關系求得風(fēng)速。我們采用的(de)是電(diàn)子(zǐ)數字式轉速表來(lái)作(zuò)為(wèi)轉速測量的(de)儀器(qì)。這(zhè)是應用最廣泛的(de)精密測量轉速的(de)方法之一。其特點是具有(yǒu)量程寬，準确度高(gāo)，便于攜帶，輸出數字信息，可以方便地(dì)與微(wēi)型計(jì)算(suàn)機(jī)、打印機(jī)相(xiàng)結合，實現(xiàn)轉速的(de)自(zì)動記錄、數字處理(lǐ)和(hé)反饋控制。

二）原理(lǐ)與設計(jì)：

1）風(fēng)速部分：

測量原理(lǐ)： 電(diàn)子(zǐ)數字式轉速表由數字式轉速傳感器(qì)和(hé)電(diàn)子(zǐ)計(jì)數電(diàn)路(lù)組成。傳感器(qì)将轉軸的(de)速度轉換為(wèi)電(diàn)脈沖信号，經電(diàn)路(lù)放(fàng)大、整形後送電(diàn)子(zǐ)計(jì)數器(qì)顯示相(xiàng)應的(de)被測轉速值。一般對(duì)中、高(gāo)轉速采用頻(pín)率法，對(duì)低(dī)轉速采用周期法測量。

風(fēng)速傳感器(qì)：其功能是将被測旋轉體(tǐ)的(de)轉速變換成電(diàn)脈沖信号，并且能夠推動計(jì)數器(qì)計(jì)數。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器(qì)風(fēng)杯由三個(gè)抛物(wù)錐形的(de)空心杯殼組成。空心杯殼固定在互成120°的(de)三叉星形支架上(shàng)，杯的(de)凹面順着一個(gè)方向排列，整個(gè)橫臂架則固定在一根垂直的(de)旋轉軸上(shàng)。風(fēng)杯結構和(hé)尺寸決定了風(fēng)速傳感器(qì)的(de)技(jì)術性能，較小(xiǎo)的(de)起動風(fēng)速和(hé)較好(hǎo)的(de)距離常數要求風(fēng)杯越輕越好(hǎo)；較大的(de)抗風(fēng)強度要求風(fēng)杯越堅固越好(hǎo)，即風(fēng)杯碗壁應該盡量厚；顯而易見該二項是相(xiàng)互矛盾的(de)。因此，合理(lǐ)的(de)設計(jì)，就是兼顧各種技(jì)術性能。

自(zì)加熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器(qì) 由304不鏽鋼殼體(tǐ)、風(fēng)标和(hé)電(diàn)路(lù)模塊組成，內(nèi)部集成磁感應結構、工(gōng)業(yè)微(wēi)電(diàn)腦處理(lǐ)器(qì)、标準電(diàn)流發生(shēng)器(qì)、電(diàn)流驅動器(qì)等。

電(diàn)路(lù)PCB采用軍工(gōng)級**材料，确保參數的(de)穩定和(hé)電(diàn)氣性能的(de)品質；電(diàn)子(zǐ)元件(jiàn)均采用進口工(gōng)業(yè)級芯片，使得整體(tǐ)具有(yǒu)極可靠的(de)抗電(diàn)磁幹擾能力，能保證在－30℃～＋90℃(增配加熱功能款),濕度0％～95％（不結露）範圍內(nèi)均能正常工(gōng)作(zuò)。

2）風(fēng)向部分：

原理(lǐ)：風(fēng)向傳感器(qì)采用低(dī)慣性輕金(jīn)屬的(de)風(fēng)向标響應風(fēng)向，當風(fēng)标随風(fēng)向變化(huà)而轉動時(shí)，通(tōng)過軸帶動碼盤在光(guāng)電(diàn)組件(jiàn)縫隙中的(de)轉動。

風(fēng)向感應器(qì):風(fēng)向感應器(qì)為(wèi)單闆風(fēng)标。當風(fēng)标轉動時(shí)，帶動七位格雷碼盤，碼盤的(de)徑向按格雷碼編碼，透光(guāng)表示1，不透光(guāng)表示0。碼盤直接固定在風(fēng)向标的(de)轉動軸上(shàng)，随風(fēng)向标一起轉動，在光(guāng)電(diàn)碼盤各個(gè)碼位的(de)上(shàng)下(xià)分别安裝發光(guāng)管和(hé)光(guāng)電(diàn)管。當風(fēng)标随風(fēng)向的(de)變化(huà)而帶動碼盤轉動時(shí)，對(duì)應每個(gè)方位，碼盤都(dōu)有(yǒu)一組相(xiàng)應的(de)七位編碼，發光(guāng)二級管和(hé)光(guāng)電(diàn)三級管産生(shēng)對(duì)應這(zhè)組編碼的(de)一串光(guāng)電(diàn)格雷碼編碼信号，經放(fàng)大整形後，就可将風(fēng)向标的(de)位置信号通(tōng)過碼盤的(de)編碼轉變為(wèi)脈沖編碼輸出，格雷碼每個(gè)相(xiàng)鄰碼道(dào)隻有(yǒu)一位碼發生(shēng)變化(huà)，可有(yǒu)效地(dì)避免二進制編碼兩個(gè)碼道(dào)不同步而産生(shēng)的(de)誤碼。

采用了MODBUS-RTU協議(yì)的(de)命令子(zǐ)集，使用讀寄存器(qì)命令（03）（06）。以下(xià)不說(shuō)明(míng)默認以16進制表示。

1、數據傳輸方式：

8位數據位，1位停止位，無校(xiào)驗位。

2、數據傳輸速率：

缺省波特率為(wèi)9600bps，不可修改，用戶希望使用其他(tā)波特率時(shí)，請在定貨時(shí)聲明(míng)。支持波特率：115200bps，38400bps，9600bps，4800bps

3、數據報文(wén)格式

⑴功能碼0x03---查詢從(cóng)設備寄存器(qì)內(nèi)容

主設備報文(wén)	從(cóng)設備正确報文(wén)
從(cóng)設備地(dì)址    (0x01-0x7F   1字節)	從(cóng)設備地(dì)址            (0x01-0x7F   1字節)
功能碼           (0x03   1字節)	功能碼                (0x03       1字節)
起始寄存器(qì)地(dì)址          (2字節)	數據區(qū)字節數        (2*寄存器(qì)個(gè)數1字節)
寄存器(qì)個(gè)數              (2字節)	數據區(qū)    (寄存器(qì)內(nèi)容2*寄存器(qì)個(gè)數1字節)
CRC校(xiào)驗碼              (2字節)	CRC校(xiào)驗碼                       (2字節)

⑵功能碼0x06---對(duì)從(cóng)設備寄存器(qì)置數

主設備報文(wén)	從(cóng)設備正确報文(wén)
從(cóng)設備地(dì)址     (0x01-0x7F   1字節)	從(cóng)設備地(dì)址         (0x01-0x7F   1字節)
功能碼          (0x06      1字節)	功能碼             (0x06       1字節)
起始寄存器(qì)地(dì)址            (2字節)	數據區(qū)字節數      (2*寄存器(qì)個(gè)數1字節)
寫入寄存器(qì)的(de)數據 (2* 寄存器(qì)個(gè)數1字節)	數據區(qū)     (寄存器(qì) 內(nèi)容   2*   寄存器(qì)個(gè)數1字節)
CRC校(xiào)驗碼                 (2字節)	CRC校(xiào)驗碼                     (2字節)

注：（1）CRC檢驗碼低(dī)位在前、高(gāo)位在後,寄存器(qì)地(dì)址, 寄存器(qì)個(gè)數,數據均為(wèi)高(gāo)位在前、低(dī)位在後;   

（2）寄存器(qì)字長(cháng)為(wèi)16bit(兩個(gè)字節);

4、寄存器(qì)說(shuō)明(míng)與命令格式

（1）參量數據寄存器(qì)定義表

寄存器(qì)地(dì)址(Hex)	寄存器(qì)內(nèi)容	寄存器(qì)個(gè)數	寄存器(qì)狀态	數據範圍(Hex)
0x002A	風(fēng)向	1	隻讀	0~3600（0x00-0x0E10）

提示：自(zì)2013年(nián)12月(yuè)20日(rì)起所有(yǒu)傳感器(qì)寄存器(qì)地(dì)址全部修改為(wèi)0x002A，老(lǎo)客戶使用過的(de)風(fēng)速值寄存器(qì)地(dì)址0x0010、0x0002、0x0000，修改後的(de)協議(yì)仍然支持上(shàng)述地(dì)址，客戶無需做修改。

寄存器(qì)地(dì)址(Hex)	寄存器(qì)內(nèi)容	寄存器(qì)個(gè)數	寄存器(qì)狀态	數據範圍(Hex)
0x2000	設備地(dì)址	1	讀寫	1~127（0x01~0x7F）

（2）命令舉例：

命令中所有(yǒu)寄存器(qì)地(dì)址字節、寄存器(qì)個(gè)數字節、數據字節高(gāo)位在前，低(dī)位在後；

CRC校(xiào)驗碼低(dī)位字節在前，高(gāo)位字節在後；

讀取傳感器(qì)當前值：

(從(cóng)設備地(dì)址02号，波特率為(wèi)9600，N,8,1)

從(cóng)設備地(dì)址	功能碼	起始寄存器(qì)地(dì)址		寄存器(qì)個(gè)數		CRC-L	CRC-H
0x02	0x03	0x00	0x2A	0x00	0x01	0xA5	0xF1

從(cóng)設備回應：

從(cóng)設備地(dì)址	功能碼	數據區(qū)字節數	寄存器(qì)數據		CRC-L	CRC-H
0x02	0x03	0x02	0x00	0x00	0xFC	0x44

修改設備地(dì)址：

(從(cóng)設備地(dì)址02号，修改為(wèi)03号)

從(cóng)設備地(dì)址	功能碼	起始寄存器(qì)地(dì)址		修改後數據		CRC-L	CRC-H
0x02	0x06	0x20	0x00	0x00	0x03	0XC2	0x38

從(cóng)設備回應：

從(cóng)設備地(dì)址	功能碼	起始寄存器(qì)地(dì)址		修改後數據		CRC-L	CRC-H
0x02	0x06	0x20	0x00	0x00	0x03	0XC2	0x38

修改設備地(dì)址後需重新上(shàng)電(diàn)。

接線說(shuō)明(míng)：紅線接正極，黑(hēi)線接負極，黃(huáng)線接A+，藍(lán)線接B-

在選用風(fēng)向标的(de)結構和(hé)造型上(shàng)主要考慮二點：

（a）在小(xiǎo)風(fēng)時(shí)能反應風(fēng)向的(de)變動，既有(yǒu)良好(hǎo)的(de)起動性能。

（b）具有(yǒu)良好(hǎo)的(de)動态特性，既能迅速準确地(dì)跟蹤外(wài)界的(de)風(fēng)向變化(huà)。