[發明專利]一種小尺度風場中的三維風向的測量方法

在審

• 申請號: 201711111054.5
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107607741A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 李建微;胡奎
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G01P13/02
• 分類號: G01P13/02
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學俊,修斯文

技術領域

本發明涉及傳感器和空氣流體綜合領域，尤其是一種小尺度風場中的三維風向的測量方法。

背景技術

由于大氣在不同空間位置的壓力差造成氣流的流動，從而形成通常說的風。由于現實中的風是無色無味，不能用肉眼觀測得到。因此，如何高效準確和全面的測量具體空間位置的風的方向成為風測量的重點和難點問題。目前市場上使用較多的測量風向的儀器，一般只能測量水平方向的風向的變化，即實現二維的風向的測量，比較典型的方法有超聲波風向儀、多普勒雷達、和風向傳感器等。其中超聲波風向儀和多普勒雷達價格昂貴，復用性差，風向計算通過后期軟件實現，操作復雜并且實時性差。而風向傳感器具有價格低，復用性好，改裝方便；傾角類傳感器技術成熟，成本低，可擴展性和實用性強等特點。

但空間中任意一點上的風向在時間和空間上都是動態變化的，在具體應用當中一般需要考慮風場湍流作用對具體應用的影響，例如污染源的擴散、林火蔓延擴散。因此，在傳統水平風向測量的基礎上，增加風在垂直分量的測量的三維的風向測量方法，對于現實中的受風的影響比較大的預測模擬系統具有更大的實現價值。

本發明綜合了風向傳感器的優點并結合具體應用中對于三維風向的需要。改進了風向傳感器，具體方法見發明內容，使得本發明能支持垂直風向的測量，從而快速測量并實時記錄風向的三維矢量值。本發明改進的測量方法可以應用于污染源擴散、城市規劃、橋梁和高樓建筑的選址和輔助建設等方面。

發明內容

本發明提出一種小尺度風場中的三維風向的測量方法，能以成熟的低成本傳感器獲取實測現場的三維風向。

本發明采用以下技術方案。

一種小尺度風場中的三維風向的測量方法，所述測量方法使用三維風向探測器對風向進行探測；所述三維風向探測器包括數據處理器、固定架、水平角探測器和豎向角探測器；所述水平角探測器包括豎向翼、水平向轉角傳感器；所述豎向翼以連接桿鉸接于固定架處，所述水平向轉角傳感器設于固定架處并對連接桿水平向轉角進行測量；所述豎向角探測器包括水平翼、垂直向傾角傳感器和轉軸架；豎向角探測器以轉軸架固定于豎向翼上方或上方旁側處；所述垂直向傾角傳感器設于水平翼內并對水平翼的垂直向傾角進行檢測；所述轉軸架鉸接于水平翼的重心處以使水平翼在轉軸架兩側的重量平衡；當測量方向時，水平向轉角傳感器、垂直向傾角傳感器把測得的數據送至數據處理器進行處理。

所述數據處理器對水平向轉角傳感器、垂直向傾角傳感器的測量數據進行處理后生成風向的三維矢量數據。

所述水平翼為一錐尖朝向側面的扁形的四面錐，轉軸架鉸接于四面錐的前后錐面處，四面錐的上下錐面為受風面。

所述受風面朝側向延伸以擴大迎風面積。

所述垂直向傾角傳感器固定于PCB板上，所述PCB板內嵌于豎向角探測器水平翼殼體內，轉軸架以支撐軸鉸接于水平翼的前后端面處；所述支撐軸與水平翼的鉸接點處設有導電滑環，所述導電滑環與PCB板相連以向水平翼內的元器件供電并導出測量數據；所述垂直向傾角傳感器為單軸傾角傳感器，垂直向傾角傳感器的測量軸方向與支撐軸方向、導電滑環位于同一直線上，垂直向傾角傳感器的測量軸與水平翼殼體相接。

水平翼殼體的垂直向傾斜角度與垂直向傾角傳感器傳感器同步，當無風時，所述水平翼殼體保持水平。

所述垂直向傾角傳感器的測量軸與導電滑環之間設有卡塊，所述卡塊對垂直向傾角傳感器的旋轉進行限位，使垂直向傾角傳感器的旋轉范圍在180度以下。

所述水平翼的尖端處固定有棒狀的配重體。

所述數據處理器對水平向轉角傳感器、垂直向傾角傳感器的測量數據進行處理時，按以下步驟進行；

A1、從水平向轉角傳感器獲取水平向的風向角度數據，按以正北方向為零度參照，把此數據矢量化得到水平風向HDir（x,y,0）；

A2、從垂直向傾角傳感器獲取以垂直方向角度為參照的風向角度，并把此數據矢量化得垂直風向VDir(0,0,y)；

A3、把水平風向HDir（x,y,0）與垂直風向VDir(0,0,y)相加，得到風向的三維矢量WindDir(x,y,z)。

本發明所述產品可獲取實測現場的三維風向，獲取結果可用于氣象測量、污染源擴散等實際用途；本發明所述方案工藝簡單，傳感器技術成熟，成本低，總體實現方案簡單，且較一些超聲波、多普勒風向儀更經濟、方便。