[发明专利]一种小尺度风场中的三维风向的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器和空气流体综合领域，尤其是一种小尺度风场中的三维风向的测量方法。

背景技术

由于大气在不同空间位置的压力差造成气流的流动，从而形成通常说的风。由于现实中的风是无色无味，不能用肉眼观测得到。因此，如何高效准确和全面的测量具体空间位置的风的方向成为风测量的重点和难点问题。目前市场上使用较多的测量风向的仪器，一般只能测量水平方向的风向的变化，即实现二维的风向的测量，比较典型的方法有超声波风向仪、多普勒雷达、和风向传感器等。其中超声波风向仪和多普勒雷达价格昂贵，复用性差，风向计算通过后期软件实现，操作复杂并且实时性差。而风向传感器具有价格低，复用性好，改装方便；倾角类传感器技术成熟，成本低，可扩展性和实用性强等特点。

但空间中任意一点上的风向在时间和空间上都是动态变化的，在具体应用当中一般需要考虑风场湍流作用对具体应用的影响，例如污染源的扩散、林火蔓延扩散。因此，在传统水平风向测量的基础上，增加风在垂直分量的测量的三维的风向测量方法，对于现实中的受风的影响比较大的预测模拟系统具有更大的实现价值。

本发明综合了风向传感器的优点并结合具体应用中对于三维风向的需要。改进了风向传感器，具体方法见发明内容，使得本发明能支持垂直风向的测量，从而快速测量并实时记录风向的三维矢量值。本发明改进的测量方法可以应用于污染源扩散、城市规划、桥梁和高楼建筑的选址和辅助建设等方面。

发明内容

本发明提出一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，能以成熟的低成本传感器获取实测现场的三维风向。

本发明采用以下技术方案。

一种小尺度风场中的三维风向的测量方法，所述测量方法使用三维风向探测器对风向进行探测；所述三维风向探测器包括数据处理器、固定架、水平角探测器和竖向角探测器；所述水平角探测器包括竖向翼、水平向转角传感器；所述竖向翼以连接杆铰接于固定架处，所述水平向转角传感器设于固定架处并对连接杆水平向转角进行测量；所述竖向角探测器包括水平翼、垂直向倾角传感器和转轴架；竖向角探测器以转轴架固定于竖向翼上方或上方旁侧处；所述垂直向倾角传感器设于水平翼内并对水平翼的垂直向倾角进行检测；所述转轴架铰接于水平翼的重心处以使水平翼在转轴架两侧的重量平衡；当测量方向时，水平向转角传感器、垂直向倾角传感器把测得的数据送至数据处理器进行处理。

所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理后生成风向的三维矢量数据。

所述水平翼为一锥尖朝向侧面的扁形的四面锥，转轴架铰接于四面锥的前后锥面处，四面锥的上下锥面为受风面。

所述受风面朝侧向延伸以扩大迎风面积。

所述垂直向倾角传感器固定于PCB板上，所述PCB板内嵌于竖向角探测器水平翼壳体内，转轴架以支撑轴铰接于水平翼的前后端面处；所述支撑轴与水平翼的铰接点处设有导电滑环，所述导电滑环与PCB板相连以向水平翼内的元器件供电并导出测量数据；所述垂直向倾角传感器为单轴倾角传感器，垂直向倾角传感器的测量轴方向与支撑轴方向、导电滑环位于同一直线上，垂直向倾角传感器的测量轴与水平翼壳体相接。

水平翼壳体的垂直向倾斜角度与垂直向倾角传感器传感器同步，当无风时，所述水平翼壳体保持水平。

所述垂直向倾角传感器的测量轴与导电滑环之间设有卡块，所述卡块对垂直向倾角传感器的旋转进行限位，使垂直向倾角传感器的旋转范围在180度以下。

所述水平翼的尖端处固定有棒状的配重体。

所述数据处理器对水平向转角传感器、垂直向倾角传感器的测量数据进行处理时，按以下步骤进行；

A1、从水平向转角传感器获取水平向的风向角度数据，按以正北方向为零度参照，把此数据矢量化得到水平风向HDir（x,y,0）；

A2、从垂直向倾角传感器获取以垂直方向角度为参照的风向角度，并把此数据矢量化得垂直风向VDir(0,0,y)；

A3、把水平风向HDir（x,y,0）与垂直风向VDir(0,0,y)相加，得到风向的三维矢量WindDir(x,y,z)。

本发明所述产品可获取实测现场的三维风向，获取结果可用于气象测量、污染源扩散等实际用途；本发明所述方案工艺简单，传感器技术成熟，成本低，总体实现方案简单，且较一些超声波、多普勒风向仪更经济、方便。