简易风速风向仪

刘鑫坤 刘天辰 沈传鑫 李一南 杜丽娟

摘要：随着航模、无人机这类新科技的普及以及社会各种场合对于其的需求和运用，考虑到这类器械在使用时对于风向风速有着特殊需求，我研究小组拟通过学习、设计、编程、实地数据测量计算等方法为需要风速风向数据的群体提供相关仪器。

关键词：风向风速;实地数据测量计算;仪器

一、绪论

（一）研究现状与趋势

传统大气风速的测量，常采用风杯式或者风叶式风速仪。但是这些技术较为传统的仪器很难实现多功能自动综合检测，如温度、风速、风向等。这里指出此种风速风向仪存在的缺点是体积大，旋转部件长期会造成磨损。另一种就是超声波风速风向仪，存在的缺点就是成本高，技术复杂，国内技术被国外所垄断。王魏魏、宿忠娥、朱实强在《科技创新与应用》2018年25期上发表期刊，提出了摇杆式风速风向仪。摇杆式风速风向仪优化了结构，采用球形铰链机构，缩小了体积，设计原理简单，成本低，可以在恶劣天气工作等优点[1]。

此外，有专家致力于区域自动气象站风向、风速数据的准确性研究。目前区域站中应用极为广泛的是光电式风向传感器和风速传感器。为了确保传感器的探 测数据的准确性，需要定期对其进行检测。风向传感器现场检测通常使用人工视力和标准度盘重锤测 试方法，效率低且精度不高;风速传感器现场检测时 通常需手动调节仪器调速阀，同时读取传感器风速值和标准风速值，检测步骤流程繁琐，准确度不高[2]。

屈志毅等设计出了电接风向风速数字化处理系统。卢会国等设计了风速传感器自动检定系统。以上人员虽然取得了不错的成果，但设备通常体积较大，需要通人市电才能完成工作。由于区域站现 场检测时环境复杂，没有水电等基础设施，现有的检测设备难以在其所处环境下完成检测工作[3]。

近年来，研究者将风速风向仪的研究趋于自主化、实用化、便捷化、简单化，精确化。

二、项目内容

1.项目方案

1.1风向部分：由风向标、风向度盘（磁罗盘）等组成，风向示值由风向指针在风向度盘上的位置来确定。

风速部分：预计将采用传统的三环旋转框架结构，仪器中的单片机对风速传感器的输出频率进行采样和计算分析，最后通过LCD显示屏，将单片机计算和分析得出的瞬时风速、一分钟平均风速、瞬时风位、一分钟平均风位、平均风速和相应的波高，用数字的形式直接显示出来。

2.组件原理

2.1风速传感器：感应元件是一个三杯旋转组件，它由三个塑料风杯和一个杯架组成。转换器是一个多齿旋转风杯和一个狭长的狭缝光耦合器。当风杯在水平风力的作用下旋转时，频率信号通过狭缝光耦合器中的轴旋转杯的旋转而输出。

风向传感器：该传感器内置电子罗盘，可自动定位转向角，可安装在固定场所或移动场

所。转换器是一个码盘和一个光电模块。当风向标随着风向的变化而旋转时，通过轴带动码盘在光电模块的间隙中旋转。产生的光电信号与当前风向的循环二进制单位距离码的输出相对应。换能器的换能器可以采用精密的导电塑料电位器，这样就可以在电位器的主动端产生可变的电压信号输出。

3.程序内容

3.1基本阐述：风向风速检测程序使用C语言编写，风向部分使用风向传感器输出的模拟电压值来进行判断，将仪器得到的数字量去除以1024来转换为电压值显示;风速部分，计算公式为：风速F=0.027*V（电压）*3.6  km/h，根据此公式，可以将风速的数字量转换为可以显示的数值。

3.2编程编写

三、仪器概况与风向、风速测试数据汇总分析

1.仪器概况

1.1仪器设计原理图

1.2液晶显示屏说明：液晶显示屏是以若干个5 ×7/8或5 ×10/11点阵块组成的显示字符群，每个点阵块为一个字符位， 字符间距和行距都为一个点的宽度。

2.风向、风速测试数据汇总分析

鉴于仪器灵敏度存在一定的上限，我们选择在11、12月中天气良好、风力适中的共计15天中，选择能够明显感受到风吹感的高层空旷区域进行有关风向风速的測试。所有测量结果得出后，我们将5次测量数据以及风向数据与气象网站上的风向风速实时数据进行对比，如下表所示：

将所有偏差取绝对值后求和计算其平均值，计算出其风速测量平均偏差为0.284，而风向基本正确。可能存在测量方式与地点不同或设备自身误差因而与官方数据存在细微误差，但没有较大影响。

3.实现的基本功能

（1）精准正确测量风向风速，测量数据与官方给出数据基本一致。

（2）方便携带，不易损坏，四位实验组成员多次携带其外出测量感受。

（3）随开随用、随关就停，需要测量只需打开开关即可，关机则同理。

（4）  数据便于读取，所有数据都会清晰明了地呈现在显示屏上。

四、结论与展望

目前，在航空航天领域对风速风向探测的要求仍然具有高需求量、高精准度、高可靠性、高便利性等，虽然在需求之下，风速风向的探测已经成为了成熟的、市场化的领域，但通过对风速风向探测仪的原始思路的再探索，有利于发现现阶段市面上风速风向仪仍旧隐藏着的缺点，有助于未来进行更进一步的改进。传统风向风速仪，一定程度上分别存在不实用、成本高、操作难、不精确的缺点。

我研究小组在先前阶段的课题任务中，主要获得了以下几个成果：

（1）研究并尝试制作出了一个具有“随开随用，方便携带、测量结果较为正确、工序简易且环保、使用方便，可以提供给社会上各个需要风速风向数据的群体使用”等特性的“简易风向风速仪”。

（2）经过多次实验与测试，我们证明了其实用性、耐用性、精确性、方便携带以及节能环保的特点。

（3）2021年12月至2022年1月的实验数据采集中，我们证明了自己制作的风速风向仪的实用、耐用性等，同时也通过采集上海松江区在实验日期时的风速、风向数据，对该段时间内上海市松江区的天气规律有了浅显的了解。

不足之处在于设计上的偏差，例如：雨天由于降水的影响，风向风速仪会存在误差，不具有完全普适性，即不能在特定天气条件下精确测量风向风速。

参考文献：

[1]张曦.测量风速的方法[D].2010

[2]魏明明、刘禹杉、章允昊.风向风速传感器检测仪设计与应用[J] . 气象科技，2018（4）

[3]屈志毅、孔令旺、吴换霞. 电接风向风速自记纸数字化处理系统的设计与实现[S].2008