科普小知識 | 螺旋槳式風速風向傳感器之工作原理
01 風速的測量工作原理
螺旋槳式風速傳感器是通過測量風力對一個螺旋槳的驅(qū)動力來計算風速，其主要由螺旋槳、磁鋼轉(zhuǎn)子、感應(yīng)元件、處理電路等部分組成。螺旋槳葉片系統(tǒng)受到風壓的作用，產(chǎn)生一定的扭力矩，使葉片旋轉(zhuǎn)，帶動螺旋槳軸上的磁力脈沖發(fā)生器旋轉(zhuǎn)。螺旋槳的轉(zhuǎn)速與風速成正比關(guān)系，其公式為：
V風速=轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速×風速系數(shù) (1-1)
風速系數(shù)是螺旋槳的物理特性，螺旋槳確定形狀后，其風速系數(shù)是一個常量。磁性轉(zhuǎn)子通過霍爾元件或感應(yīng)線圈輸出風速模擬信號，通過處理電路處理后可輸出頻率正比于風速的方波信號。
1.1 電磁感應(yīng)原理
根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將一個線圈置于一個變化的磁場中，就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，稱為感生電動勢，其計算公式為：
(1-2)
式中：
N——線圈匝數(shù)；
φ——磁通量；
B——磁場強度；
S——線圈面積。
當磁場以角速度ω旋轉(zhuǎn)時，感應(yīng)電動勢為：
(1-3)
其最大值為：
（1-4）
根據(jù)公式（1-3）和（1-4）可知，在一個磁場旋轉(zhuǎn)中，磁場每旋轉(zhuǎn)一周就會產(chǎn)生一個交流正弦波信號，其最大值為NBSω。為消除雜波干擾，使風速傳感器在低風速時也能產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電壓，應(yīng)選擇合適的磁鐵和線圈匝數(shù)和線圈截面積，盡可能在低速旋轉(zhuǎn)時使線圈中產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電壓。在線圈中插入一根鐵棒，將能有效的增強磁感應(yīng)強度。
圖1是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計的一種風速傳感器，其中磁鐵為6磁極磁鐵，當葉片系統(tǒng)受到風壓的作用旋轉(zhuǎn)時，帶動螺旋槳軸上的六磁極磁盤旋轉(zhuǎn)，線圈中即感應(yīng)出交流正弦波信號，其頻率與螺旋槳的轉(zhuǎn)速成正比，螺旋槳每轉(zhuǎn)一周，線圈中就感應(yīng)出三個周期的正弦波信號。經(jīng)過電路板信號放大和整形，輸出頻率正比于風速的方波信號。
圖1 根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計的風速傳感器
1.2 霍爾效應(yīng)原理
當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。這個電位差的大小與磁場強度和電流成正比，方向與磁場方向和電流方向有關(guān)。
霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。當磁體離開霍爾元件的范圍時，磁場的強度減弱，霍爾元件的電壓也隨之變小。相反，當磁體靠近霍爾元件時，磁場的強度增強，霍爾元件的電壓也隨之增大。通過對霍爾元件兩側(cè)電壓的檢測，可以判斷磁體的位置和運動狀態(tài)。按照霍爾元件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。風速風向傳感器主要應(yīng)用霍爾開關(guān)來計算螺旋槳轉(zhuǎn)速。
圖2 霍爾元件原理圖
霍爾開關(guān)內(nèi)部集成的電路把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)量電信號輸出，它同時具備符合實際應(yīng)用要求的易操作性和高可靠性?；魻栭_關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強度B來表征的，當B值達到一定的程度時，開關(guān)內(nèi)部集成的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，其輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。風速風向傳感器中選用的霍爾開關(guān)一般為單極霍爾開關(guān)，單極霍爾開關(guān)需要指定一個磁極，當磁場靠近時霍爾導通輸出低電平，磁場遠離時霍爾關(guān)閉輸出高電，而另一磁極始終高電平。
如圖3所示，其中Bop為工作點“開”的磁感應(yīng)強度，BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強度。當外加的磁感應(yīng)強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應(yīng)強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與BRP之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。
圖3 霍爾開關(guān)特性
圖4是依據(jù)霍爾效應(yīng)原理，采用霍爾開關(guān)元件設(shè)計的風速傳感器，其中磁鐵為6磁極磁鐵，N極觸發(fā)。當葉片系統(tǒng)受到風壓的作用旋轉(zhuǎn)時，帶動螺旋槳軸上的磁力脈沖發(fā)生裝置旋轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)根據(jù)感應(yīng)到的磁強度動作，輸出方波信號，其頻率與螺旋槳的轉(zhuǎn)速成正比，螺旋槳每轉(zhuǎn)一周，霍爾開關(guān)就輸出三個的方波信號。
圖4 根據(jù)霍爾效應(yīng)設(shè)計的風速風向傳感器
1.3 光電開關(guān)原理
槽型光電開關(guān)是紅外線發(fā)射器和紅外線接收器于一體的光電傳感器，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)信號。
風速傳感器的核心部分，主要由槽型光電開關(guān)管和隨風速軸一起旋轉(zhuǎn)的均勻開孔圓盤組成。設(shè)隔光圓盤均勻開孔槽數(shù)為a，則在槽型光電開關(guān)管被施加正常電壓后，每當開孔圓盤從光電開關(guān)管中間轉(zhuǎn)動一周時，將產(chǎn)生a個脈沖，通過變換電路即可輸出脈沖的頻率。
02 風向的測量工作原理
2.1 光電式測量風向原理
光電式測量風向原理是基于格雷碼編碼和光電傳感技術(shù)。格雷碼是一種二進制編碼方式，相鄰兩個數(shù)值之間只有一位不同。這種編碼方式的優(yōu)點是在數(shù)值變化過程中，只有一位發(fā)生變化，可以減少傳輸錯誤和干攏的可能性。例如，從0到1的轉(zhuǎn)換只有一位發(fā)生變化，從1到2換也只有一位發(fā)生變化，依此類推。
格雷碼風向傳感器利用了這種編碼方式。傳感器內(nèi)部有一個旋轉(zhuǎn)部件，可以根據(jù)風向的變化旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)部件上安裝有一個光電傳感器，用于檢測旋轉(zhuǎn)部件當前的位置。光電傳感器可以感知到旋轉(zhuǎn)部件上的標記，標記的數(shù)量對應(yīng)著格雷碼的位數(shù)。
當旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)時，光電傳感器會不斷檢測標記的位置，并將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的格雷碼。傳感器會輸出一個格雷碼序列，每個格雷碼代表旋轉(zhuǎn)部件的一個位置。通過解碼格雷碼序列，可以確定風向傳感器當前的風向。
圖5 格雷碼盤結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 電阻式測量風向原理
電阻式風向傳感器采用類似滑動變阻器的結(jié)構(gòu)，即電位計，它是由一個電阻體和一個轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成。當電阻體的兩個固定觸電之間外加一個電壓時，通過轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關(guān)系的電壓。當風向標產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的時候，滑動變阻器的滑桿會隨著頂部的風向標一起轉(zhuǎn)動，而產(chǎn)生的不同的電壓變化就可以計算出風向的角度或者方向。
圖6 電位計
2.3 電子羅盤式測風向原理
電子羅盤是一種基于磁場感應(yīng)原理工作的設(shè)備，用于測量和確定物體的方向。
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當一個導體在磁場中運動吋，會在導體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電子羅盤利用這個原理來感應(yīng)地球的磁場。
地球本身就有一個磁場，它的磁力線會從地球的南極指向北極。電子羅盤中的磁感應(yīng)線圈可以感應(yīng)到地球磁場的變化，通過測量磁場的強度和方向來測定物體的方位。
電子羅盤將感應(yīng)到的磁場信號傳輸?shù)教幚砥髦?。處理器會對信號進行放大、濾波和校正等處理，以確保測量的準確性。經(jīng)過處理后的信號被轉(zhuǎn)換為可視化的輸出，通常以數(shù)字或指針形式顯示方向。
2.4 霍爾角度傳感器
霍爾角度傳感器是一種用于測量物體角度的傳感器，采用霍爾效應(yīng)原理。當通過一個材料時，由于霍爾效應(yīng)，會產(chǎn)生一個與外磁場方向垂直的電場，該電場的大小與外磁場的強度成正比。霍爾角度傳感器利用這個原理測量外磁場的強度，從而測量物體的角度。
霍爾角度傳感器通常由霍爾元件、磁環(huán)和信號處理電路組成。在使用時，磁環(huán)被安裝在旋轉(zhuǎn)的軸上，當旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，磁場會隨之改變，霍爾元件檢測到這種變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出。信號處理電路將這個電信號進行放大、濾波和線性化處理，從而輸出一個與物體角度成正比的電信號。
霍爾角度傳感器的特性曲線是其輸出電壓與物體角度之間的關(guān)系曲線，通常呈現(xiàn)線性或非線性的形狀。在線性霍爾角度傳感器中，輸出電壓與物體角度成線性關(guān)系，因此，其特性曲線為一條直線。而在非線性霍爾角度傳感器中，輸出電壓與物體角度之間的關(guān)系可能不是線性的，因此，其特性曲線可能為一條曲線。
圖7 霍爾角度傳感器
