專利名稱：高動態(tài)性能測風傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型公開了一種適用于氣象臺站測量風速、風向的測風傳感器。特別是一種風速傳感器的起動風速≤0.5米／秒、測量范圍0～70米／秒、測量精度(0.3＋0.01V)米／秒、抗風強度≥80米／秒、距離常數(shù)2.50米；風向傳感器的起動風速≤0.5米／秒、測量范圍0～360°、測量精度±3°、阻尼比≥0.4的高動態(tài)性能測風傳感器。
目前現(xiàn)有測風傳感器的風向標板和風杯用鋁材制造，其動態(tài)性能指標風向傳感器阻尼比達不到；風速傳感器的距離常數(shù)不能較好地達到世界氣象組織對測風傳感器的要求。另外，現(xiàn)有風向傳感器的角度分辨率低，只有16方位，角度分辨率為22.5°、不能滿足世界氣象組織對風向測量精度為±3°或±5°的要求。風速傳感器的主要技術性能起動風速和測量范圍也不能滿足世界氣象組織的要求。用薄鋁板制造風杯和風向標板、耐腐蝕性差，在海洋性環(huán)境中使用壽命短。
隨著科學技術的不斷進步，根據(jù)世界氣象組織對測風儀器的最新要求，用戶迫切需要一種動態(tài)特性好、測量精度高、測量范圍寬、耐腐蝕、可靠、壽命長等多種優(yōu)良性能的測風傳感器來更換氣象臺站使用近三十年的現(xiàn)用測風傳感器。
本實用新型的目的在于提供一種風向角度分辨為128方位、測量精度為±3°、阻尼比≥0.4，風速起動風速小、測量范圍大、抗風強度大、測量精度高、距離常數(shù)小，在結構上完全獨立，用于測量同一時刻風速和風向的兩支傳感器的構成。
本實用新型所采取的技術措施是從力學角度出發(fā)在滿足強度要求的前提下風杯桿的直徑盡量小，風杯碗呈偏心狀，靠近回轉中心的一側壁厚、遠離回轉中心的一側壁薄。風杯碗、風杯桿、風杯腳設計成一體，用高性能炭纖維增強塑料注塑成形，三支風杯對接疊壓組成一個風杯組；風向標板用炭布增強塑料高溫高壓成形，該板的比重小、強度高、剛性好。在風向標的前端加輔助板，能夠在保證阻尼比和距離常數(shù)技術指標的前提下，縮短風向標桿的長度，提高了其剛性。輔助板與平衡鉈的裝配設計成為可拆連接式；在風向標的前部裝有阻旋夾，以防止風向標桿在桿套的孔內(nèi)旋轉；風速感應信號電路采用霍爾開關集成電路，以降低電路功耗；風向角度變換方式采用格雷碼盤、發(fā)光二極和光電三極管，為了降低電路功耗，提高電路的可靠性和使用壽命，該傳感器可與主機相配合采用脈沖式供電方式；為了保護風速、風向感應信號電路的光、電器件免遭強雷電干擾所破壞，正電源線與邏輯地線，每一位輸出信號線與邏輯地線之間都裝有大功率的保護二極管；本實用新型的風速、風向傳感器都可以裝置薄膜加熱器，用以熔化旋轉部件與上殼體間隙處的冰凍，保證在有凍雨的情況下，風杯組和風向標組仍能繼續(xù)旋轉；本實用新型為了提高整體結構的防腐蝕性能，全部機械另件都是采用工程塑料、不銹鋼、黃銅和鋁材制造。所有鋁材件都是經(jīng)過陽極氧化處理后再經(jīng)重鉻酸鉀溶液封閉處理，然后外表面再噴涂一層防腐涂料。
由于采取了以上的技術措施，產(chǎn)生了測量精度高、動態(tài)特性好、測量范圍寬、抗雷電干擾能力強、功耗小、耐腐蝕、便于包裝運輸和維護的積極效果。
以下將結合附圖對本實用新型作進一步詳細的描述。


圖1是本實用新型風速傳感器結構示意圖；圖2是本實用新型杯套和一只風杯裝配結構示意圖；圖3是本實用新型霍爾開關器件工作原理圖；圖4是本實用新型風向傳感器結構示意圖；圖5是本實用新型阻旋夾正面結構示意圖；圖6是本實用新型阻旋夾左視結構示意圖；圖7是本實用新型風向角度變換電路工作原理圖；參照圖1，在由鋁材機械加工成錐形的上殼體〔6〕內(nèi)穿過一根不銹鋼制的主軸〔5〕，主軸〔5〕由上下兩只滾動軸承〔4〕及軸承壓環(huán)〔10〕和壓套〔11〕固定。上端連接風杯組〔1〕〔2〕〔3〕，下端連接磁棒盤〔13〕，延伸至下殼體〔16〕內(nèi)。在磁棒盤〔13〕的一個園周上鑲嵌36只磁棒〔12〕，相鄰的磁棒〔12〕N、S極應相反，形成18個磁場。磁棒〔12〕與裝配在下殼體〔16〕內(nèi)的印刷電路板〔15〕上焊裝的霍爾開關器件〔14〕上下對應。上殼體〔6〕內(nèi)加工有空腔的園柱體〔9〕，空腔內(nèi)固定主軸下端的一個滾動軸承〔4〕，繞園柱體〔9〕外圍由固定夾〔8〕固定薄膜加熱器〔7〕。聚酰亞胺簿膜為絕緣材料康銅箔為電熱材料的簿膜加熱器〔7〕，加熱功率為10～20瓦。當加熱器通電加熱時，通過傳導其熱量傳到上殼體的上部，可熔化風杯組〔1、2、3〕與上殼體〔6〕間隙處形成的冰凍，以保證風杯組在冰凍天氣條件下的正常旋轉。風速感應信號電路的電源線、輸出信號線、加熱器〔7〕加熱電源線，通過插座〔17〕與主機電纜連接。
參照圖1、圖2，本實用新型的風杯組主要由風杯〔1〕、壓蓋〔2〕、杯套〔3〕構成。風杯〔1〕的風杯碗〔21〕、風杯桿〔20〕、風杯腳〔19〕用模具由炭纖維增強高性能工程塑料注塑成一體。本實用新型風杯〔1〕的設計兼顧了七種技術性能1、盡量小的起動風速；2、盡量小的距離常數(shù)；3、盡量高的抗風強度；4、盡量好的線性度；5、好的互換性能；6、好的加工工藝、裝配、維護性能；7、好的耐腐蝕、耐老化性能。七種技術性能中，1、2的要求同3的要求是矛盾的。前兩者要求風杯越輕越好，后者要求風杯越堅固越好。由于本實用新型風杯〔1〕的風杯桿〔20〕直徑可選為φ7～φ8；風杯碗〔21〕呈偏心狀、靠近回轉中心一側的壁厚，遠離回轉中心一側的壁薄，因而合理地解決了這一矛盾，得到了較理想的結果。風杯腳〔19〕為對接疊壓可拆式。風杯組中有三只同樣的風杯〔1〕，當三支風杯裝入風杯套〔3〕上部三個成120°等分度的槽〔18〕內(nèi)后，蓋上壓蓋〔2〕用螺釘固緊構成風杯組。這種結構的風杯腳，在組裝風杯組時不需任何的調整，因而裝配位置精度高，一致性好，易于裝拆維護。
參照圖1、圖3，本實用新型風速傳感器測量風速值大小的原理是在水平風力的作用下，固裝在一起的風杯組〔1、2、3〕、主軸〔5〕、磁棒盤〔13〕一起旋轉，風力越大，旋轉越快。風杯組〔1、2、3〕每旋轉一圈，磁棒盤〔13〕上由36只磁棒〔12〕形成的18個磁場，在霍爾開關器件〔14〕中的感應電路〔24〕中感應出18個小脈沖信號，經(jīng)放大器〔25〕放大、整形器〔26〕整形后送驅動器〔27〕輸出，穩(wěn)壓器〔23〕給電路提供穩(wěn)定的電壓源。風速值V與脈沖頻率F的計算關系式是V＝a＋bF式中a、b為常數(shù)。測出F值后，即可求出風速V。
參照圖3，正電源線與邏輯地線之間、輸出信號線與邏輯地線之間接有防雷二級管〔22〕，防雷二級管的正端接地。當正電源線和信號線上由于雷電感應而出現(xiàn)高達幾千伏的高壓時，防雷二級管〔22〕能迅速通過大電流，把高電壓降低并嵌位在所需要的低電平上，從而保護了霍爾開關器件〔14〕免遭破壞。
參照圖4，在由鋁材機械加工成錐形的上殼體〔6〕內(nèi)穿過一根不銹鋼制的主軸〔5〕，主軸〔5〕由上下兩只滾動軸承〔4〕及軸承壓環(huán)〔10〕和壓套〔11〕固定。上端連接風向標組〔28、29、30、31、32、33、34〕，下端連接碼盤〔37〕，延伸至下殼體〔16〕內(nèi)。碼盤〔37〕在下殼體〔16〕內(nèi)固定不動的光電管支架〔36〕中間槽中通過，支架的上面沿徑向直線方向并排裝有7只發(fā)光二極管〔35〕對應著碼盤〔37〕上的7位碼道和光電管支架〔36〕下面的7只光電三極管〔38〕。上殼體〔6〕內(nèi)加工有空腔的園柱體〔9〕，空腔內(nèi)固定主軸下端的一個滾動軸承〔4〕，繞園柱體〔9〕外圍由固定夾〔8〕固定簿膜加熱器〔7〕。聚酰亞胺簿膜為絕緣材料康銅箔為電熱材料的簿膜加熱器〔7〕，加熱功率為10～20瓦。當加熱器通電加熱時，通過傳導其熱量傳到上殼體〔6〕的上部，可熔化風向標組〔28、29、30、31、32、33、34〕與上殼體〔6〕間隙處形成的冰凍，以保證風向標組在冰凍天氣條件下的正常旋轉。風向信號電路的電源線、輸出信號線、加熱器〔7〕加熱電源線，通過插座〔39〕與主機電纜連接。
參照圖4、圖5、圖6本實用新型的風向標組主要由平衡鉈〔28〕、輔助板〔29〕、板夾〔30〕、阻旋夾〔31〕、風向標板〔32〕、風向標桿〔33〕、桿套〔34〕七部分組成。風向標板〔32〕用高溫高壓成形的炭布增強塑料板制造。這種材料比重小、剛性好、強度高、耐腐蝕、耐老化，是提高風向傳感器動態(tài)性能指標較理想的材料。在風向標組前端加輔助板〔29〕，可以在保證動態(tài)性能指標的前提下縮短風標桿〔33〕的長度，以提高其剛性，使風向標組結構緊湊。輔助板〔29〕后中部開一長方形豁口，插入平衡鉈〔28〕的相應槽內(nèi)，由板夾〔30〕夾緊，螺釘固定，為可拆式連接，便于包裝和維護。在平衡鉈〔28〕后靠桿套〔34〕處裝有阻旋夾〔31〕，阻旋夾〔31〕加工成直角形，其豎板〔41〕中心有可穿入風向標桿〔33〕的園孔〔40〕，園孔下有一豁口〔43〕，在豁口垂直方向有鎖緊螺紋孔〔44〕，旋緊鎖緊螺釘可使豁口〔43〕變窄，夾緊風向標桿〔33〕，阻旋夾橫板〔42〕的下平面緊靠桿套〔34〕的上平面，阻旋夾、風向標桿、桿套便成為一體，風向標桿不能隨意旋轉。
參照圖4、圖7，風向傳感器角度變換原理是，在水平風力的作用下，固定在一起的風向標組、主軸〔5〕、碼盤〔37〕隨風旋轉，平衡鉈〔28〕的尖端總是指向風力的來向。碼盤〔37〕為格雷碼盤，其七位碼道都是由透光和遮光部分組成。當發(fā)光二極管〔35〕的光透過碼盤〔37〕照射到對應的光電三極管〔38〕上后，其集電極輸出低電平，經(jīng)整形倒相器〔53〕之后變?yōu)楦唠娖捷敵觥９怆娙龢O管不被照射時，整形倒相器〔53〕輸出低電平。當碼盤〔37〕處于不同的位置時，七位光電管輸出不同的高、低電平，構成不同的角度。
參照圖7、風向角度變換電路中，由偏置電阻〔46、48〕、集電極電阻〔45〕、發(fā)射極電阻〔49、50、51〕、三極管〔47〕、發(fā)光二極管〔35〕構成發(fā)光二極管供電控制電路，在由主機送來的輸入控制信號的控制下，可實現(xiàn)間歇式供電，以大大降低電路平均功耗、提高電路的可靠性和壽命。正電源線與邏輯地之間、每一根輸出信號線與邏輯地之間，都裝有防雷二極管〔22〕，以保護光電器件。
權利要求1.由上殼體[6]、下殼體[16]風杯組[1、2、3]、風向標組[28、29、30、31、32、33、34]、上下滾動軸承[4]、主軸[5]、空腔圓柱體[9]滾動軸承壓環(huán)[10]和壓套[11]、插頭[17、39]構成的高動態(tài)性能測風傳感器，其特征是a、在加工成錐形的上殼體[6]內(nèi)穿過一根主軸[5]主軸[5]由上下兩只滾動軸承[4]及軸承壓環(huán)[10]和壓套[11]固定于上殼體內(nèi)，主軸[5]上端裝風杯組[1、2、3]下端裝有磁棒盤[13]延伸至下殼體[16]內(nèi)，磁棒[12]與裝配在下殼體內(nèi)的印刷電路板[15]上焊裝的霍爾開關器件[14]相對應構成一只獨立結構的測風速傳感器；b、在加工成錐形的上殼體[6]內(nèi)穿過一根主軸[5]主軸[5]由上下兩只滾動軸承[4]及軸承壓環(huán)[10]和壓套[11]固定于上殼體[6]內(nèi)，主軸[5]上端裝有風向標組[28、29、30、31、32、33、34]，下端裝有碼盤[37]延伸至下殼體[16]內(nèi)，碼盤[37]在下殼體[16]中固定不動的光電管支架[36]中間槽中通過，支架的上面沿徑向直線的方向并排裝有7只發(fā)光二極管[35]對應著碼盤上的7位碼道和下面的7只光電三極管[38]構成了獨立結構的測風向傳感器。
2.根據(jù)權利要求1所述的高動態(tài)性能測風傳感器，其特征是風速傳感器中的風杯碗〔21〕、風杯桿〔20〕、風杯腳〔19〕用模具注塑成一體，風杯碗呈偏心狀靠近回轉中心的一側壁厚，遠離回轉中心的一側壁薄，風杯腳〔19〕，為對接疊壓可拆式，風杯組中有三支同樣的風杯，當三支風杯裝入風杯套〔3〕上部三個成120°等分度的槽〔18〕內(nèi)后，蓋上壓蓋〔2〕用螺釘固緊構成風杯組。
3.根據(jù)權利要求2所述的高動態(tài)性能測風傳感器，其特征是磁棒盤〔13〕上鑲嵌36只磁棒〔12〕，相鄰的磁棒N、S極應相反，形成18個磁場，磁棒〔12〕與霍爾開關器件〔14〕上下相對應。
4.根據(jù)權利要求3所述的高動態(tài)性能測風傳感器，其特征是霍爾開關器件中的感應電路〔24〕因磁棒盤〔13〕旋轉感應出風速信號，風速信號徑放大器〔25〕放大、整形器〔26〕整形、驅動器〔27〕輸出。
5.根據(jù)權利要求4所述的高動態(tài)性能測風傳感器，其特征是霍爾開關器件〔14〕電路中正電源線與邏輯地之間，輸出信號線與邏輯地之間接防雷二級管〔22〕，防雷二極管的正端接地。
6.根據(jù)權利要求1所述的高動態(tài)性能測風傳感器，其特征是風向傳感器的主軸〔5〕上裝有桿套〔34〕，桿套〔34〕上與主軸垂直裝有風向標桿〔33〕，風向標桿〔33〕長臂端裝有用炭布板制成的風向標板〔32〕，短臂的一端裝有輔助板〔29〕，輔助板后中部開一長方形豁口插入平衡鉈〔28〕的槽內(nèi)由板夾〔30〕夾緊，平衡鉈后靠桿套處裝有阻旋夾〔31〕阻旋夾〔31〕加工成直角形，其豎板〔41〕中心有可穿入風向標桿的圓孔〔40〕，圓孔下有一豁口〔43〕在豁口垂直方向有鎖緊螺紋孔〔44〕，鎖緊螺釘使豁口變窄夾緊風向標桿〔33〕，阻旋夾橫板〔42〕下平面靠緊桿套〔34〕上平面，阻旋夾、風向標桿、桿套便成為一體，風向標桿不可任意旋轉。
7.根據(jù)權利要求1所述的高動態(tài)性能測風傳感器，其特征是風向傳感器角度變換電路，由偏置電阻〔46、48〕、集電極電阻〔45〕、發(fā)射極電阻〔49、50、51〕、三極管〔47〕、發(fā)光二極管〔35〕 構成發(fā)光二極管供電控制電路和光電三極管〔38〕、集電極電阻〔52〕整形器〔53〕構成接收信號電路，碼盤〔37〕在發(fā)光二極管與光電三極管之間可隨同主軸〔5〕在固定不動的光電管支架〔36〕中間槽中轉動，碼盤上方并排裝有7只發(fā)光二極管〔35〕對應著碼盤上的7位碼道，在碼盤的下方與發(fā)光二極管相對應裝有7只光電三極管〔38〕接收透過碼盤形成的風向角度信號，送整形器〔53〕輸出，輸出線與邏輯地之間，電源線與邏輯地之間接防雷二極管〔22〕，防雷二極管正端接地。
8.根據(jù)權利要求1所述的高動態(tài)性能測風傳感器，其特征是測風速傳感器和測風向傳感器的上殼體〔6〕內(nèi)加工有空腔的圓柱體〔9〕空腔內(nèi)固定主軸〔5〕下端的一個滾動軸承〔4〕，繞圓柱體〔9〕外圍由固定夾〔8〕固定聚酰亞胺薄膜為絕緣材料康銅箔為電熱材料的加熱器〔7〕，加熱器的功率為10～20瓦。
專利摘要本實用新型公開了高動態(tài)性能測風傳感器，它由測風速和風向的兩支傳感器構成。本實用新型風杯注塑成一體；風向標板為高溫高壓成型炭布增強塑料板；輔助標板與平衡鉈可拆卸；輸出信號線、正電源線與邏輯地之間裝有大功率防雷二極管；殼體上裝有薄膜加熱器可熔化旋轉部件與殼體間隙處的冰凍；風速采用霍爾開關器件、風向與主機相配合采用脈沖式供電方式可降低電路功耗，適用于氣象臺站及測量同一時刻的風速、風向的場合。
文檔編號G01W1/02GK2206969SQ94214779
公開日1995年9月6日 申請日期1994年6月20日 優(yōu)先權日1994年6月20日
發(fā)明者施德藩 申請人:機械工業(yè)部長春氣象儀器研究所