風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器工作原理是:風(fēng)向袋風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件為三杯式回轉(zhuǎn)架,信號(hào)變換電路為霍爾開(kāi)關(guān)電路。在水平風(fēng)力作用下,風(fēng)向袋風(fēng)杯組旋轉(zhuǎn),通過(guò)主軸帶動(dòng)磁棒盤(pán)旋轉(zhuǎn),其上的36只磁體形成18個(gè)小磁場(chǎng),風(fēng)杯組每旋轉(zhuǎn)1圈,風(fēng)向袋在霍爾開(kāi)關(guān)電路中感應(yīng)出18個(gè)脈沖信號(hào),其頻率隨風(fēng)速的增大而線(xiàn)性增加。其校準(zhǔn)方程為:V= 0.1F(V:風(fēng)速,單位:m/s;F:脈沖頻率,單位:Hz。)。
                                  

　　風(fēng)向袋傳感器的感應(yīng)元件為風(fēng)向袋標(biāo)組件。角度變換為格雷碼盤(pán)加光電電路。當(dāng)風(fēng)向袋標(biāo)組件隨風(fēng)向袋旋轉(zhuǎn)時(shí),帶動(dòng)主軸及碼盤(pán)一同旋轉(zhuǎn),每轉(zhuǎn)動(dòng)2.8125°,位于光電器件支架上下兩邊的7位光電變換電路就輸出1組新的7位并行格雷碼,風(fēng)向袋電路整形并反相后輸出。傳感器具有動(dòng)態(tài)特性好、線(xiàn)性好、精度高、靈敏度高(3°;0.1 m/s)、抗風(fēng)強(qiáng)度高(≤70 m/s)、測(cè)量范圍寬(0~60 m/s)、互換性好、工作可靠、風(fēng)向袋抗雷電干擾能力強(qiáng)等多種優(yōu)良性能。風(fēng)杯由特種工程塑料注塑成型,風(fēng)向袋標(biāo)尾翼板用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛性好且在高溫高壓條件下成型的非金屬材料制造。具有重量輕,強(qiáng)度好、抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　風(fēng)向袋風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀的核心硬件介紹

　　數(shù)據(jù)采集器硬件電路為風(fēng)向袋風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀的核心,設(shè)計(jì)采用目前成熟,可靠的技術(shù)。數(shù)據(jù)采集器硬件由控制器(CPU)電路單元、風(fēng)向袋風(fēng)速接口電路單元、電源轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、RS-232通信單元組成。

　　控制器(CPU)電路單元：控制器單元電路是數(shù)據(jù)采集器的控制中心,風(fēng)向袋控制各部分完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、通信等功能。CPU采用PHILIPS公司8位中央處理器P89C58。P89C58是以80C51為核心,具有32k字節(jié)FLASH,128字節(jié)RAM、布爾處理器、全靜態(tài)操作、寬溫度范圍、雙數(shù)據(jù)指針、風(fēng)向袋3個(gè)保密位、4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、6個(gè)中斷源、4個(gè)8位I/O口、全雙工增強(qiáng)型UART等特點(diǎn)。適合本項(xiàng)目應(yīng)用。P89C58P0口既是地址口,又是數(shù)據(jù)口。風(fēng)向袋通過(guò)擴(kuò)展一塊74HC373來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)口和地址口的復(fù)用。P89C58的外圍還需要加上晶振電路(12MHz)、地址片選電路(74HC138)、數(shù)據(jù)地址鎖存器(74HC373)、看門(mén)狗電路(X5045)組成控制器電路單元。

　　風(fēng)向袋風(fēng)速接口電路單元：風(fēng)向袋輸出的特性為:風(fēng)向袋為7位格雷碼,風(fēng)速為脈沖頻率信號(hào)。接口電路為傳感器提供5V DC電源。風(fēng)速脈沖通過(guò)接口單元的RC濾波、施密特觸發(fā)器整形后,送到計(jì)數(shù)器74HC393進(jìn)行計(jì)數(shù)。風(fēng)向袋7位格雷碼電平信號(hào)通過(guò)接口電路的74HC245整形驅(qū)動(dòng)后輸入控制電路單元。CPU得到格雷碼后經(jīng)處理可以得到瞬時(shí)風(fēng)向袋數(shù)據(jù)。

　　如何在風(fēng)向袋中應(yīng)用不確定度

　　與傳統(tǒng)的以誤差理論表示測(cè)量結(jié)果相比較風(fēng)向袋引入測(cè)量不確定度應(yīng)該是測(cè)量技術(shù)認(rèn)識(shí)進(jìn)步的標(biāo)志。不確定度是一個(gè)合理表征被測(cè)量離散程度的量,用它可以對(duì)測(cè)量的結(jié)果做出綜合的評(píng)定。它表示的是因測(cè)量誤差的存在而對(duì)被測(cè)量不能肯定的程度。對(duì)實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)而言,不確定度測(cè)量值(近似值)附近的一個(gè)范圍,測(cè)量值與真值之差可能落于其中,不確定度小,測(cè)量結(jié)果可信賴(lài)程度高;風(fēng)向袋不確定度大,測(cè)量結(jié)果可信賴(lài)程度低。用不確定度評(píng)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差,其中包含了各種不同的誤差來(lái)源對(duì)結(jié)果的影響,而它們又反映了這些誤差所服從的分布規(guī)律,能更準(zhǔn)確地表達(dá)測(cè)量結(jié)果的可靠程度。本文我們主要討論如何在風(fēng)向袋中應(yīng)用不確定度。

　　我國(guó)氣象部門(mén)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速等四大要素的不確定度評(píng)定大部份采用示值誤差的測(cè)量不確定度評(píng)定。風(fēng)向袋由于測(cè)量這四大要素的儀器是多種多樣,在評(píng)定時(shí),采用各種不同的儀器作為代表的樣本,因此,在測(cè)量過(guò)程中,應(yīng)用了合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差作為A類(lèi)多次重復(fù)性測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,這樣就不需要在每次的測(cè)量中進(jìn)行重復(fù)性不確定度的評(píng)定。風(fēng)向袋風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀中，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向袋風(fēng)速測(cè)量是通過(guò)間接測(cè)量流體壓力———補(bǔ)償式微差壓計(jì)水柱高度,進(jìn)而換算成標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速。如對(duì)風(fēng)速測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí),標(biāo)準(zhǔn)器相當(dāng)風(fēng)速的數(shù)值是直接采用公式伯努利方程,即:ΔP=PZ-PJ,ΔP為空氣流動(dòng)的動(dòng)壓力;PZ為總壓力;PJ為靜壓力。風(fēng)向袋風(fēng)速與流體動(dòng)壓力存在的關(guān)系:ΔP=0.5ρV2,式中:ρ為空氣密度,kg/m3;V為風(fēng)速,m/s。從而可以導(dǎo)出計(jì)算風(fēng)速公式:V=(2ΔP/ρ)1/2。根據(jù)以上理論,在測(cè)量中,標(biāo)準(zhǔn)器相當(dāng)風(fēng)速是通過(guò)皮托靜壓管和二等補(bǔ)償式微差壓計(jì)測(cè)量,依據(jù)規(guī)程用水柱高度計(jì)算相當(dāng)風(fēng)速vi=4（H）1/2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由上述推導(dǎo)公式所得出的相當(dāng)風(fēng)向袋風(fēng)速值作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值。