基于七孔探針測量原理的平面全風(fēng)向風(fēng)速傳感器的研究

黃俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

基于七孔探針測量原理的平面全風(fēng)向風(fēng)速傳感器的研究

黃俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

近年來，隨著我國航空航天事業(yè)快速發(fā)展，流體流動(dòng)方向和速度的高精度測量重要性日漸凸顯。但當(dāng)前的測量技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，均存在各種缺陷。本文運(yùn)用七孔探針測量原理，研究和設(shè)計(jì)了一種新的風(fēng)向風(fēng)速測量傳感器。硬件平臺(tái)采用低功耗MSP430單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，無線模塊的作用范圍在1000～1200m，信號強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)信號源與信號接收端分離，減小由于采集裝置自身體積帶來的流場誤差，數(shù)據(jù)精度高。此外本傳感器具有安裝簡便、實(shí)用性強(qiáng)、支持?jǐn)U展、改裝等優(yōu)點(diǎn)。

航空航天；風(fēng)速風(fēng)向傳感器；MSP430單片機(jī)；LabView

近年來，隨著我國航空航天、氣象檢測、環(huán)境控制等事業(yè)的高速發(fā)展，流體流動(dòng)方向和速度的高精度測量越來越重要。傳統(tǒng)的氣流方向和速度測量通常有兩種方法：多孔探頭測量和熱線/熱膜法測量。多孔探頭法測量流速流向方法方便、快速，設(shè)備和技術(shù)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但氣流偏角測量范圍有限。熱線/熱膜法直接將流速變化轉(zhuǎn)化為電信號，響應(yīng)快，滯后小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)寬，但因?yàn)榇嗳跣圆贿m合測量流速較高或非氣體流動(dòng)的場合。熱膜探頭具有機(jī)械強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)，但存在加工復(fù)雜，維護(hù)不便的問題。

因此，本文擬研究設(shè)計(jì)一款可以測量平面內(nèi)的流動(dòng)的流速流向測量傳感設(shè)備?？赏ㄟ^多孔壓力測試技術(shù)測量正負(fù)180°范圍內(nèi)氣流，此外可通過無線通信與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，工作可靠，精度高，維護(hù)方便，并且可以通過封裝的修改，適用更多場合的應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。系統(tǒng)硬件分為模型、壓強(qiáng)傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、無線模塊和上位機(jī)用戶平臺(tái)六部分。主要完成數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)和向上位機(jī)傳輸和顯示的功能。系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)控制軟件和上位機(jī)平臺(tái)軟件。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

模型模塊為一圓柱，8個(gè)測壓孔均布于圓柱某一平面。如圖2所示。

圖2 圓柱俯視圖

該模型的測量原理基于七孔探針，是流體力學(xué)中的經(jīng)典圓柱繞流模型。七孔探針可測量氣流偏角為78°的大偏角流動(dòng)，測試精度為1%，本文利用七孔探針測量大流動(dòng)角下的總壓、靜壓及方位角的原理，重組得到適合本設(shè)計(jì)的的公式，并進(jìn)行精度驗(yàn)證。必須能夠滿足工程測量的需求。

修正后的公式如下：

圖3 根據(jù)上述兩個(gè)公式擬合得曲線

由壓強(qiáng)傳感器模塊輸出的信號經(jīng)電壓偏置后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)處理后通過液晶顯示速度及風(fēng)向，并將數(shù)據(jù)經(jīng)RS232接口通過無線模塊傳輸至PC。PC終端將數(shù)據(jù)處理后記錄存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件框圖如圖4所示。

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，主控模塊采用MSP430F149芯片，它集成片內(nèi)ADC模塊，傳感器選用1220A-005G-3S壓力傳感器，它有表壓、絕壓、差壓三種工作方式。滿量程輸出0-100 mV，工作溫度區(qū)間大，可在環(huán)境惡劣的情況下正常工作。誤差則控制在0.1%，適合高精度場合。接口采用RS232接口，編程簡單，適用性強(qiáng)，傳輸速率快。無線傳輸模塊選用APC220，該模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，無須編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，體積小、寬電壓運(yùn)行，傳輸距離遠(yuǎn)。

圖4 硬件框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

其參數(shù)為8個(gè)通道的數(shù)據(jù)取32次平均值后對應(yīng)的數(shù)據(jù)。calculate（）函數(shù)中涉及的coefficient arrays由常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下曲線擬合得出，如果環(huán)境變化差異巨大，則需重新標(biāo)定。get（）函數(shù)則是用來確定主通道序號，用于計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)的選擇。由于擬合是選用的三次擬合，所以求解時(shí)采用數(shù)值方法計(jì)算解的近似值（誤差≤10-5），然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的公式可得到風(fēng)速風(fēng)向，并通過1602液晶顯示。此外，我們還設(shè)計(jì)了上位機(jī)平臺(tái)，程序采用LabView編寫。該軟件可實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)接收及處理，為系統(tǒng)校驗(yàn)及評估提供了可能。

4 測 試

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的擬合，得到圖7曲線：

圖6 數(shù)據(jù)擬合曲線

圖7 數(shù)據(jù)擬合曲線

在此基礎(chǔ)上用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)圓柱，進(jìn)行360°的測量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理有如下指標(biāo)：

風(fēng)向最大相對誤差≤1%

風(fēng)速相對誤差≤10%（風(fēng)速小于1 m/s）

相對誤差≤3%（風(fēng)速大于5 m/s）

顯然速度的誤差相對較大，尤其在風(fēng)速較低的時(shí)候。

圖7選取了-1°～6°間的部分?jǐn)?shù)據(jù)，顯然風(fēng)洞頻率低的時(shí)候（風(fēng)速?。├碚擖c(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)的誤差較大，而隨著頻率增大，理論與實(shí)際點(diǎn)的偏差越來越小。

5 結(jié) 論

通過軟硬件的設(shè)計(jì)，本平臺(tái)設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器提高了實(shí)驗(yàn)室風(fēng)速風(fēng)向測量的精度。無線模塊的作用范圍在1 000～1 200 m，信號強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)信號源與信號接收端分離，減小由于采集裝置自身體積帶來的流場誤差，數(shù)據(jù)精度更高。此外傳感器、處理模塊、接收模塊三者分離，安裝簡便，實(shí)用性強(qiáng)，支持?jǐn)U展、改裝以及封裝。圓柱模型強(qiáng)度大，可在強(qiáng)風(fēng)下工作；8通道的模型理論精度高，支持高精度的實(shí)驗(yàn)，且遲滯效應(yīng)弱，任一方向的擾動(dòng)都能及時(shí)地反應(yīng)在讀數(shù)上。采用的芯片都是工業(yè)級的設(shè)計(jì)，能在惡劣的環(huán)境下正常工作。

在設(shè)計(jì)過程中，由于電壓信號小，干擾信號比較大，在后續(xù)的研究中，可以增加屏蔽罩減小信號干擾。此外，如果有垂直方向的風(fēng)速風(fēng)向測量需求，模型可以進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。

[1]杜偉略，談向萍.低功耗超聲波風(fēng)向風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2013，32（9）：12-15.

[2]王葵軍，謝擴(kuò)軍基于時(shí)差法超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀前端電路的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，2010，47（7）:75-76.

[3]陳其歡.風(fēng)傳感器及采樣計(jì)算方法研究與應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器，2013，12（4）:8-13.

[4]胡琨，趙志軍，錢廷偉.直流低速風(fēng)洞流場特性研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（2）:74-75.

[5]余莉，滕海山，明曉.利用七孔探針對降落傘流場的試驗(yàn)測量研究[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2007，（5）:65-70.

[6]陳麗君.七孔探針測試系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2006.

[7]李鵬.七孔探針動(dòng)態(tài)測量技術(shù)研究[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，27（4）:287-293.

[8]張學(xué)明，李景平.基于皮托管的礦用風(fēng)向風(fēng)速傳感器的實(shí)現(xiàn)[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015 14（4）：125-129.

[9]謝建芳.何興林.信新型自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器故障判斷及維修[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2015，42（8）:26-28.

[10]曹可勁，崔國恒，朱銀兵，超聲波風(fēng)速儀理論建模與分析[J].聲學(xué)與電子工程，2010（1）:37-40.

[11]梁成志，王誠 .趙延賓.Lattice FPGA/CPLD設(shè) 計(jì)[M].北京： 人民郵電出版社，2011.

[12]洪利，章?lián)P，李世寶.單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[13]王葵軍，謝擴(kuò)軍.基于時(shí)差法超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀前端電路的設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，2010，47（7）:75-76.

[14]金梅.氣象自動(dòng)站風(fēng)向風(fēng)速傳感器的一種檢修方法[J]電測與儀表，2010，47（7）:75-76.

[15]陳文淵沈斌堅(jiān)二階模擬帶通濾波器的仿真和實(shí)現(xiàn)[J].聲學(xué)與電子工程，2010（3）:47-49.

Study on the whole plane wind speed sensor based on the principle of measuring seven hole probe

HUANG Jun
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou，412001，China）

In recent years，with the rapid development of China's aerospace industry，the importance of high precision measurement of fluid flow direction and speed is becoming more and more important.But the current measurement technology is far from mature，there are all kinds of defects.This paper applies the principle of seven hole probe measurement，research and design a new wind speed measuring sensor.Hardware platform adopts low power MSP430 microcontroller，data acquisition and control，the scope of the wireless module in the 1000～1200m，strong signal can realize signal source and receiver separation and decreased due to the flow error brought by the acquisition device volume，high accuracy of data.In addition，the sensor has the advantages of simple installation，strong practicability，support expansion，modification，etc.

Aerospace； wind sensor； MSP430 single-chip microcomputer； LabView

TN108

A

1674－6236（2017）16-0084-03

2016-07-19稿件編號：201607137

黃 ?。?969—），男，湖南株洲人，碩士，講師。研究方向：控制系統(tǒng)與控制理論、電氣工程。