如何測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向其實(shí)在古代很早就出現(xiàn)了。 著名的諸葛亮利用東風(fēng)燒墻，就是因?yàn)樗行У卣莆樟孙L(fēng)向和風(fēng)速的知識(shí)，從而取得了軍事上的重大勝利。
作為氣象測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量風(fēng)的方向和大小的風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器也已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。 下面我們就來(lái)看看這兩款設(shè)備。
風(fēng)向傳感器
風(fēng)向傳感器是一種利用風(fēng)向箭頭的旋轉(zhuǎn)來(lái)檢測(cè)和感知外界風(fēng)向信息，并將其傳輸?shù)酵S編碼板，同時(shí)輸出與風(fēng)向相關(guān)的相應(yīng)值的物理裝置。
通常風(fēng)向傳感器的主體采用風(fēng)向標(biāo)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)向標(biāo)的尾翼時(shí)，風(fēng)向標(biāo)的箭頭將指向風(fēng)的方向。 為了保持對(duì)方向的敏感性，還使用不同的內(nèi)部機(jī)制來(lái)識(shí)別風(fēng)速傳感器的方向。 通常分為三類：
電磁風(fēng)向傳感器：利用電磁原理設(shè)計(jì)。 由于原理種類繁多，結(jié)構(gòu)也各不相同。 目前，部分傳感器已開始采用陀螺儀芯片或電子羅盤作為基礎(chǔ)元件，其測(cè)量精度得到進(jìn)一步提高。
光電風(fēng)向傳感器：此類風(fēng)向傳感器采用絕對(duì)格雷碼盤作為基本部件，并采用專門定制的編碼。 基于光電信號(hào)轉(zhuǎn)換原理，可以準(zhǔn)確輸出相應(yīng)的風(fēng)向信息。
電阻式風(fēng)向傳感器：這種風(fēng)向傳感器采用類似于滑動(dòng)變阻器的結(jié)構(gòu)。 電阻值的最大值和最小值分別標(biāo)記為360°和0°。 當(dāng)風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器的滑桿也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。 旋轉(zhuǎn)頂部的風(fēng)向標(biāo)，產(chǎn)生的不同電壓變化可以計(jì)算出風(fēng)向的角度或方向。
風(fēng)速傳感器
風(fēng)速傳感器是一種常見的傳感器，可以連續(xù)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)量（風(fēng)量=風(fēng)速×橫截面積）。
風(fēng)速傳感器一般分為機(jī)械式（主要是螺旋槳式、風(fēng)杯式）風(fēng)速傳感器、熱風(fēng)風(fēng)速傳感器、皮托管風(fēng)速傳感器和基于聲學(xué)原理的超聲波風(fēng)速傳感器。
螺旋槳風(fēng)速傳感器工作原理
我們知道，電風(fēng)扇是利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)，使扇葉前后產(chǎn)生壓力差，促進(jìn)空氣流動(dòng)。 螺旋槳風(fēng)速計(jì)的工作原理正好相反。 與氣流對(duì)齊的葉片系統(tǒng)受到風(fēng)壓的影響，產(chǎn)生一定的扭矩使葉片系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。 通常，螺旋槳式速度傳感器通過(guò)繞水平軸旋轉(zhuǎn)一組三葉或四葉螺旋槳來(lái)測(cè)量風(fēng)速。 螺旋槳通常安裝在風(fēng)向標(biāo)的前部，使其旋轉(zhuǎn)平面始終面向風(fēng)向，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比。 。
風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器工作原理
杯式風(fēng)速傳感器是一種很常見的風(fēng)速傳感器，最早由英國(guó)人羅賓遜發(fā)明。 感應(yīng)部分由三四個(gè)圓錐形或半球形空杯組成。 空心杯殼固定在互成120°的三尖星形支架或互成90°的十字形支架上。 杯體的凹面朝一個(gè)方向排列，整個(gè)橫擔(dān)架固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。
當(dāng)風(fēng)從左側(cè)吹來(lái)時(shí)，風(fēng)杯1與風(fēng)向平行，風(fēng)在風(fēng)杯1上的壓力在最直達(dá)風(fēng)杯軸線的方向上的分力近似為零。 風(fēng)杯2和3與風(fēng)向相交成60度角。 對(duì)于風(fēng)杯2來(lái)說(shuō)，其凹面面向風(fēng)，承受的風(fēng)壓最大； 而風(fēng)杯3則有一個(gè)迎風(fēng)的凸面，周圍的風(fēng)流使其承受風(fēng)壓。 小于風(fēng)杯2，由于風(fēng)杯2和風(fēng)杯3在垂直于風(fēng)杯軸線的方向上存在壓力差，風(fēng)杯開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 風(fēng)速越大，初始?jí)毫Σ钤酱螅瑢?dǎo)致加速度越大，風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)得越快。
風(fēng)杯開始旋轉(zhuǎn)后，由于杯2順風(fēng)方向旋轉(zhuǎn)，風(fēng)的壓力相對(duì)減小，而杯3以相同速度逆風(fēng)旋轉(zhuǎn)，其所受的風(fēng)壓力相對(duì)增大傳感器原理，風(fēng)壓差繼續(xù)減小。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（風(fēng)速不變的情況下），當(dāng)作用在三個(gè)風(fēng)杯上的分壓差為零時(shí)，風(fēng)杯就會(huì)勻速旋轉(zhuǎn)。 這樣，就可以根據(jù)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速（每秒轉(zhuǎn)數(shù)）來(lái)確定風(fēng)速。
當(dāng)風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)同軸多齒盤或磁棒旋轉(zhuǎn)，通過(guò)電路得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)。 脈沖信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后即可得到實(shí)際的風(fēng)速值。 目前新型轉(zhuǎn)杯式風(fēng)速計(jì)均采用三個(gè)杯體，且錐形杯體的性能優(yōu)于半球形杯體。 當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，轉(zhuǎn)杯可以迅速提高轉(zhuǎn)速以適應(yīng)氣流速度。 當(dāng)風(fēng)速降低時(shí)，由于慣性的影響，轉(zhuǎn)速卻不會(huì)立即下降。 陣風(fēng)時(shí)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)指示的風(fēng)速一般偏高，形成超調(diào)效應(yīng)（產(chǎn)生的平均誤差約為10%）。
熱式風(fēng)速傳感器的工作原理
熱式風(fēng)速傳感器采用熱絲（鎢絲或鉑絲）或熱膜（鉑或鉻制成的薄膜）作為探頭，暴露在被測(cè)空氣中，與惠斯通橋。 利用代頓電橋的電阻或電流平衡關(guān)系來(lái)檢測(cè)被測(cè)斷面空氣的流速。 熱膜風(fēng)速傳感器的熱膜上涂有極??薄的石英膜絕緣層，使其與流體絕緣，防止污染。 它可以在有顆粒的氣流中工作，其強(qiáng)度比金屬熱絲高。
當(dāng)空氣溫度穩(wěn)定時(shí)，電熱絲上的耗電量等于電熱絲在空氣中的瞬時(shí)熱量消耗。 熱絲的電阻隨溫度變化。 電熱絲的電阻與電熱絲的溫度在常溫范圍內(nèi)（0～300℃），呈線性關(guān)系。 放熱系數(shù)與氣流速度有關(guān)。 流速越大，相應(yīng)的放熱系數(shù)越大，意味著散熱快； 流速小則散熱慢。
熱風(fēng)傳感器測(cè)量的風(fēng)速是電流和電阻的函數(shù)。 保持電流（或電阻）恒定，測(cè)得的氣流速度僅與電阻（或電流）一一對(duì)應(yīng)。
熱線風(fēng)速傳感器有恒流和恒溫兩種設(shè)計(jì)電路。 恒溫?zé)峋€風(fēng)速傳感器更為常用。 恒溫法的原理是在測(cè)量過(guò)程中保持熱絲溫度恒定，以平衡電橋。 此時(shí)，熱絲的電阻保持不變，氣流速度只是電流的單值函數(shù)。 根據(jù)已知的氣流速度與電流的關(guān)系，可以得到終端單元的氣流速度。 恒流熱線風(fēng)速傳感器在測(cè)量過(guò)程中保持流過(guò)熱線的電流值不變。 當(dāng)電流值不變時(shí)，氣流速度僅與熱絲的電阻有關(guān)。 根據(jù)已知的氣流速度與熱絲電阻的關(guān)系，即可得到通過(guò)風(fēng)速傳感器的氣流速度。
熱線風(fēng)速傳感器測(cè)量脈動(dòng)風(fēng)速。 恒流風(fēng)速傳感器熱慣性較大，而恒溫風(fēng)速傳感器熱慣性相對(duì)較小，速度響應(yīng)較高。 熱線式風(fēng)速傳感器的測(cè)量精度不是很高，使用時(shí)要注意溫度補(bǔ)償。
皮托管風(fēng)速傳感器工作原理
皮托管又稱“皮托管”、“風(fēng)速管”，是一種測(cè)量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的管狀裝置。 它因法國(guó)人H.皮托的發(fā)明而得名。
用實(shí)驗(yàn)方法很難直接測(cè)量氣流的速度，但用壓力表可以很容易地測(cè)量氣流的壓力。 它主要用于測(cè)量飛機(jī)的速度，但也有許多其他功能。 因此，可以用皮托管來(lái)測(cè)量壓力，然后用伯努利定理來(lái)計(jì)算氣流的速度。 皮托管由帶有圓頭的雙層套管組成（見圖）。 外殼的直徑為D。圓頭的中心O處開有與內(nèi)殼相連的總壓孔，與壓力表的一端相連。 直徑為0.3~0.6D。 在外管側(cè)面距O約3～8D處，沿周向均勻開一排垂直于外管壁的靜壓孔。 連接壓力表的另一端，將皮托管置于穩(wěn)定氣流中，測(cè)量速度。 ，使管軸線與氣流方向一致，管前緣面向來(lái)流。 當(dāng)氣流接近O點(diǎn)時(shí)，其流速逐漸減小，到達(dá)O點(diǎn)時(shí)流速為零。所以在O點(diǎn)測(cè)得的就是總壓力P。其次，由于管道很細(xì)，C點(diǎn)距離足夠遠(yuǎn)。 O點(diǎn)時(shí)，C點(diǎn)的速度和壓力已基本恢復(fù)到與來(lái)流速度V和壓力P相同的值。因此，C點(diǎn)測(cè)得的靜壓為 。 對(duì)于低速流動(dòng)（可近似認(rèn)為流體不可壓縮），根據(jù)伯努利定理確定流量的公式為：
根據(jù)壓力表測(cè)得的總壓和靜壓差PP，以及流體的密度ρ，可按式（1）計(jì)算出氣流的速度。
超聲波風(fēng)速傳感器工作原理
超聲波風(fēng)速傳感器的工作原理是利用超聲波時(shí)間差法來(lái)測(cè)量風(fēng)速。 因?yàn)槁曇粼诳諝庵袀鞑サ乃俣葧?huì)與風(fēng)向氣流的速度疊加。 如果超聲波與風(fēng)同向傳播，則其速度會(huì)增加； 反之，如果超聲波以與風(fēng)相反的方向傳播，其速度就會(huì)減慢。 因此，在固定的檢測(cè)條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以對(duì)應(yīng)于風(fēng)速函數(shù)。 通過(guò)計(jì)算可以得到準(zhǔn)確的風(fēng)速和風(fēng)向。 由于聲波在空氣中傳播，其速度受溫度影響較大； 風(fēng)速傳感器在兩個(gè)通道上檢測(cè)兩個(gè)相反的方向，因此溫度對(duì)聲波速度的影響可以忽略不計(jì)。
超聲波風(fēng)速傳感器重量輕，無(wú)活動(dòng)部件，堅(jiān)固耐用，無(wú)需維護(hù)或現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。 可同時(shí)輸出風(fēng)速和風(fēng)向。 客戶可以根據(jù)需要選擇風(fēng)速單位、輸出頻率和輸出格式。 您還可以根據(jù)需要選擇加熱裝置（寒冷環(huán)境下推薦）或模擬輸出。 可與計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器或其他具有RS485或模擬輸出的采集設(shè)備配合使用。 如果需要，也可以使用多個(gè)單元組成網(wǎng)絡(luò)。
超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀是一種比較先進(jìn)的測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的儀器。 由于它很好地克服了機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀的固有缺點(diǎn)，可以全天候、長(zhǎng)時(shí)間正常工作，正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 它將成為機(jī)械風(fēng)速計(jì)的強(qiáng)大替代品。
超聲波風(fēng)速傳感器特點(diǎn)：
1、采用聲學(xué)相位補(bǔ)償技術(shù)，精度更高；
2、采用隨機(jī)誤差識(shí)別技術(shù)，即使在強(qiáng)風(fēng)情況下也能保證測(cè)量的低離散誤差，使輸出更加穩(wěn)定；
3、毛毛雨、大霧天氣測(cè)量補(bǔ)償技術(shù)，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)；
4.數(shù)字濾波技術(shù)，抗電磁干擾能力更強(qiáng)；
5、無(wú)啟動(dòng)風(fēng)速限制，零風(fēng)速運(yùn)行，適合室內(nèi)微風(fēng)測(cè)量，無(wú)角度限制（360°全向），同時(shí)獲取風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)；
6、測(cè)量精度高； 性能穩(wěn)定； 功耗低，無(wú)需校準(zhǔn)；
7、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，儀表耐腐蝕性強(qiáng)。 安裝和使用過(guò)程中無(wú)需擔(dān)心損壞；
8、設(shè)計(jì)靈活、輕便、攜帶方便、安裝拆卸方便；
9、信號(hào)接入方便，同時(shí)提供數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)；
10.無(wú)需維護(hù)或現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)傳感器原理，真正0~359°工作（無(wú)死角）。
風(fēng)向風(fēng)速傳感器的應(yīng)用
雖然風(fēng)向傳感器和風(fēng)速傳感器是兩個(gè)完全獨(dú)立的傳感器，但大多數(shù)情況下，這兩個(gè)傳感器集成在同一個(gè)測(cè)量裝置中，通過(guò)綜合處理數(shù)據(jù)信息來(lái)協(xié)同工作。
風(fēng)向風(fēng)速傳感器在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用
在氣象領(lǐng)域，通常需要觀察很多自然現(xiàn)象，比如風(fēng)速和天氣的變化，當(dāng)然還有風(fēng)向的變化。 對(duì)于風(fēng)向的測(cè)量，現(xiàn)在基本上都是采用風(fēng)向儀或者風(fēng)向傳感器設(shè)備來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
地面風(fēng)向變化測(cè)量：在沙漠、高原地區(qū)的防沙工作中，人們通常需要關(guān)注氣流速度和風(fēng)向的變化，以便掌握更多的氣象數(shù)據(jù)，制定更完善的防治方案，所以在整個(gè)過(guò)程中都會(huì)用到風(fēng)傳感器等氣象設(shè)備。
海洋風(fēng)暴預(yù)警：可以說(shuō)，海洋氣象預(yù)警系統(tǒng)是風(fēng)向傳感器在氣象領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。 它為海洋氣象預(yù)警系統(tǒng)提供的風(fēng)向變化數(shù)據(jù)是預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)覆蓋范圍和“運(yùn)行”軌跡的重要參數(shù)之一。
風(fēng)向風(fēng)速傳感器在煤礦井下的應(yīng)用
礦井安裝的通風(fēng)設(shè)備往往型號(hào)不同，其工作功率也有很大差異。 因此，有必要使用風(fēng)速傳感器設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)每個(gè)通風(fēng)通道的風(fēng)速值，以防止某個(gè)位置的通風(fēng)率過(guò)低而導(dǎo)致有害氣體濃度過(guò)高的現(xiàn)象出現(xiàn)。
事實(shí)上，為了保證大、中、小型煤礦的安全生產(chǎn)，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，煤礦都應(yīng)安裝風(fēng)速傳感器設(shè)備。 各礦區(qū)、翼回風(fēng)巷、主回風(fēng)巷均應(yīng)安裝風(fēng)速傳感器設(shè)備。 ，且掘進(jìn)工作面屬于礦區(qū)的一部分，因此掘進(jìn)工作面需要安裝風(fēng)速傳感器。
事實(shí)上，隧道面需要安裝風(fēng)速傳感器還有一個(gè)主要原因。 這就是煤礦井下的甲烷、一氧化碳、瓦斯等有害氣體最容易從巷道面出現(xiàn)，有的氣體甚至存在于地下形成的“氣室”中。 該瓦斯是直接有害氣體，因此煤礦需要在每個(gè)位置安裝風(fēng)速傳感器并連接通風(fēng)設(shè)備。
風(fēng)向風(fēng)速傳感器在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用
現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為了更好地利用風(fēng)資源，葉輪的方向通常不是由尾翼控制，而是由風(fēng)向傳感器控制。 通常風(fēng)向傳感器需要安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頂部，但需要防止葉輪妨礙傳感器的測(cè)量。 如果傳感器的高度達(dá)到一定程度，人們還需要注意發(fā)電機(jī)組和傳感器的防雷、漏電保護(hù)。
通常安裝在風(fēng)電場(chǎng)附近的風(fēng)向傳感器有兩個(gè)主要用途：
1、保證風(fēng)機(jī)葉片能夠?qū)崟r(shí)正對(duì)風(fēng)向，保證其處于正常工作狀態(tài)。
2.風(fēng)電場(chǎng)附近氣象站設(shè)備上的風(fēng)向測(cè)量?jī)x器可以確保強(qiáng)風(fēng)不會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成威脅。
風(fēng)向風(fēng)速傳感器在塔機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用
通常，為了保證施工項(xiàng)目的進(jìn)度，大多數(shù)塔式起重機(jī)通常都配備有風(fēng)速傳感器設(shè)備。 它的存在可以讓起重機(jī)在強(qiáng)風(fēng)影響起重機(jī)工作時(shí)發(fā)出警報(bào)。 然而，當(dāng)大風(fēng)已經(jīng)開始影響起重機(jī)的工作時(shí)，往往需要注意風(fēng)向的變化，以便能夠采取措施應(yīng)對(duì)不同方向的風(fēng)，因此有些起重機(jī)已經(jīng)利用了風(fēng)向傳感器設(shè)備。
風(fēng)向風(fēng)速傳感器在空調(diào)通風(fēng)設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用
變風(fēng)量末端裝置是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。 風(fēng)速傳感器是變風(fēng)量末端裝置的關(guān)鍵部件。 因此，風(fēng)速傳感器的類型和性能直接影響系統(tǒng)風(fēng)量的檢測(cè)和控制質(zhì)量。 目前我國(guó)及歐美各廠家的變風(fēng)量終端裝置均采用皮托管式風(fēng)速傳感器，而日本多數(shù)廠家不采用皮托管式風(fēng)速傳感器。
風(fēng)向風(fēng)速傳感器在航空領(lǐng)域的應(yīng)用
飛機(jī)上的“皮托管”就是典型的皮托管風(fēng)速傳感器，是飛機(jī)上極其重要的測(cè)量工具。 其安裝位置必須在飛機(jī)外部氣流受飛機(jī)影響較小的區(qū)域，通常是機(jī)頭正前方、垂尾或翼尖前方。 當(dāng)飛機(jī)向前飛行時(shí)，氣流沖入皮托管，管末端的傳感器會(huì)感受到氣流的沖擊力，即動(dòng)壓力。 飛機(jī)飛得越快，動(dòng)壓力就越大。 如果比較空氣靜止時(shí)的壓力，即靜壓和動(dòng)壓，就可以知道空氣沖進(jìn)來(lái)的速度有多快，即飛機(jī)飛得有多快。 比較兩個(gè)壓力的工具是一個(gè)空心的圓形盒子，其表面呈波紋狀，由上下兩片薄金屬片制成，稱為膜片。 盒子是密封的，但有一根管子連接到皮托管。 如果飛行器速度快，動(dòng)壓增大，膜盒內(nèi)部壓力增大，膜盒就會(huì)鼓起。 由小杠桿、齒輪等組成的裝置可以測(cè)量波紋管的變形并用指針顯示出來(lái)。 這是最簡(jiǎn)單的飛機(jī)空速指示器。
皮托管測(cè)得的靜壓也可作為高度計(jì)的計(jì)算參數(shù)。 如果波紋管完全密封，則內(nèi)部壓力始終等于地面空氣壓力。 這樣，當(dāng)飛機(jī)飛到空中，高度升高時(shí)物理資源網(wǎng)，皮托管測(cè)得的靜壓減小，膜盒就會(huì)鼓起，通過(guò)測(cè)量膜盒的變形量就可以測(cè)出飛機(jī)高度。 這種類型的高度計(jì)稱為氣壓高度計(jì)。
皮托管測(cè)得的速度并不是飛機(jī)相對(duì)于地面的實(shí)際速度，而只是相對(duì)于大氣的速度，所以稱為空速。 如果有風(fēng)，飛機(jī)相對(duì)于地面的速度（稱為地速）應(yīng)加上風(fēng)速（順風(fēng)飛行）或減去風(fēng)速（逆風(fēng)飛行）。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光等一些新型風(fēng)速傳感器也開始應(yīng)用于風(fēng)速檢測(cè)。 相信在不久的將來(lái)，各種新型風(fēng)向風(fēng)速傳感器將越來(lái)越多地應(yīng)用于工程機(jī)械、鐵路、港口、碼頭、電廠、氣象、索道、環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖等各個(gè)領(lǐng)域。
順風(fēng)飛行）或減去風(fēng)速（順風(fēng)飛行）。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光等一些新型風(fēng)速傳感器也開始應(yīng)用于風(fēng)速檢測(cè)。 相信在不久的將來(lái)，各種新型風(fēng)向風(fēng)速傳感器將越來(lái)越多地應(yīng)用于工程機(jī)械、鐵路、港口、碼頭、電廠、氣象、索道、環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖等各個(gè)領(lǐng)域。