風速傳感器的測量原理

來源：北京北信科遠儀器有限責任公司 2021年04月17日 13:46

　　風速傳感器是一種可以連續測量風速和風量(風量=風速x橫截面積)大小的常見傳感器。風速傳感器大體上分為機械式(主要有螺旋槳式、風杯式)風速傳感器、熱風式風速傳感器、皮托管風速傳感器和基于聲學原理的超聲波風速傳感器。關于每種傳感器的工作原理，我們來一一了解一下。

　　一、螺旋槳式風速傳感器工作原理

　　我們知道電扇由電動機帶動風扇葉片旋轉，在葉片前后產生一個壓力差，推動氣流流動。螺旋漿式風速計的工作原理恰好與此相反，對準氣流的葉片系統受到風壓的作用，產生一定的扭力矩使葉片系統旋轉。通常螺旋槳式速傳感器通過一組三葉或四葉螺旋槳繞水平軸旋轉來測量風速，螺旋槳一般裝在一個風標的前部，使其旋轉平面始終正對風的來向，它的轉速正比于風速。

　　二、風杯式風速傳感器工作原理

　　風杯式風速傳感器，又稱三杯式風速傳感器，是一種十分常見的風速傳感器，早由英國魯賓孫發明。感應部分是由三個或四個圓錐形或半球形的空杯組成。空心杯殼固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架則固定在一根垂直的旋轉軸上。

　　當風從左方吹來時，風杯1與風向平行，風對風杯1的壓力在直于風杯軸方向上的分力近似為零。風杯2與3同風向成60度角相交，對風杯2而言，其凹面迎著風，承受的風壓大;風杯3其凸面迎風，風的繞流作用使其所受風壓比風杯2小，由于風杯2與風杯3垂直于風杯軸方向上的壓力差，而使風杯開始順時針方向旋轉，風速越大，起始的壓力差越大，產生的加速度越大，風杯轉動越快。

　　風杯開始轉動后，由于杯2順著風的方向轉動，受風的壓力相對減小，而杯3迎著風以同樣的速度轉動，所受風壓相對增大，風壓差不斷減小，經過一段時間后(風速不變時)，作用在三個風杯上的分壓差為零時，風杯就變作勻速轉動。這樣根據風杯的轉速(每秒鐘轉的圈數)就可以確定風速的大小。

　　當風杯轉動時，帶動同軸的多齒截光盤或磁棒轉動，通過電路得到與風杯轉速成正比的脈沖信號，該脈沖信號由計數器計數，經換算后就能得出實際風速值。目前新型轉杯風速表均是采用三杯的，并且錐形杯的性能比半球形的好，當風速增加時轉杯能迅速增加轉速，以適應氣流速度，風速減小時，由于慣性影響，轉速卻不能立即下降，旋轉式風速表在陣性風里指示的風速一般是偏高的成為過高效應(產生的平均誤差約為10%)

　　三、熱式風速傳感器工作原理

　　熱式風速傳感器以熱絲(鎢絲或鉑絲) 或是以熱膜(鉑或鉻制成薄膜) 為探頭，裸露在被測空氣，并將它接入惠斯頓電橋，通過惠斯頓電橋的電阻或電流的平衡關系，檢測出被測截面空氣的流速。熱膜式風速傳感器的熱膜外涂有極薄的石英膜絕緣層，以便和流體絕緣，并可防止污染，可在帶有顆粒的氣流中工作。

　　當空氣溫度穩定不變時，熱絲上的耗電功率等于熱絲在空氣中瞬時耗去的熱量。熱絲電阻隨溫度而變化，表現為線性關系。放熱系數與氣流速度有關，流速越大，對應的放熱系數也越大，即散熱快；流速小，則散熱慢。

　　熱式風速傳感器所測氣流速度是電流與電阻的函數。將電流(或電阻) 保持不變，所測氣流速度僅與電阻(或電流) 一一對應。

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