一种风向风速检测仪

技术领域

本申请涉及气象用风速风向测量仪器技术领域，尤其是涉及一种风向风速检测仪。

背景技术

风速计又叫风量计、风速仪，是测量空气流速的仪器。风速计的种类较多，目前常用仪器有杯状风速计、翼状风速计、热球式电风速计和超声波风速风向仪等。

相关技术中，气象台站台常用的风速测量仪器为杯状风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。

风向标用于测定风的来向，风向标是一个不对称形状的物体，重心点固定于垂直轴上。金属风向标由风标、风轮、尾翼、动杆、主杆、底座等六部分组成的当风吹过，对空气流动产生较大阻力的一端便会顺风转动，显示风向。

针对上述中的相关技术，存在有以下缺陷：风向标和风杯都是机械式饿风向风速传感器，惰性和机械磨擦阻力较大，需要一定的风速才能启动。当风速减小或者停止的时候，由于惯性风杯还会持续转动，从而影响风速的测量准确度；风标也需要一定的风速才能转动，造成风向的测量准确度不高。

发明内容

为了提升风向与风速的测量稳定性，本申请提供一种风向风速检测仪。

本申请提供的一种风向风速检测仪采用如下的技术方案：

一种风向风速检测仪，包括机壳，所述机壳上设置有安装板、支撑杆及控制装置，所述支撑杆与安装板转动连接；所述支撑杆远离机壳的一端同轴连接有受力球，所述支撑杆远离受力球的一端同轴连接有配重球，所述配重球的质量大于受力球的质量；所述支撑杆上设置有倾角传感器，所述倾角传感器用于测量支撑杆在X、Y、Z三轴上的倾斜角度，所述倾角传感器与控制装置电连接，所述控制装置用于接收倾角传感器传输的倾角信号并计算风向与风速。

通过采用上述技术方案，机壳可稳定在任意承载平面上用于稳定整个风向风速检测仪。安装板设置于机壳上，支撑杆转动连接在安装板上，支撑杆可沿任意角度转动。在支撑杆远离机壳的一侧同轴连接有受力球，在支撑杆远离受力球的一侧同轴连接有配重球，且配重球的质量大于受力球的质量。

类似不倒翁的原理，在无风条件下，支撑杆的初始状态垂直于地面；在有风的条件下，风吹到受力球的球面，由于风是不平均的，对应的风速也是不平均的，风速变化时，作用在受力球上的作用力也会随之变化，会使受力球顺风向整体倾斜，即可带动受力球发生位置的变化。

受力球的位置变化带动倾角传感器产生位移，倾角传感器负责记录变化的信号并传输至控制装置，可以计算变化量，即风速大小与对应的风向：根据倾角传感器在X、Y轴的合成的矢量，可计算出风向；根据倾角传感器在X、Y、Z三轴的角度进行相应的处理计算，可以测量出风速的大小。

采用风向风速检测仪，在风速较小时也可启动，由于倾角传感器可精确测得小角度的变化，灵敏度较大，因此可测出较小的风速与风向变化。当风速停止时，配重球的质量大于受力球的质量，且可对配重球进行调整，以增加测量的范围及精度。配重球快速回落到初始位置，可减少惯性作用对风向风速检测结果的影响。

可选的，所述安装板上设置有转动组件，所述支撑杆连接于转动组件而与安装板转动连接。

通过采用上述技术方案，支撑杆通过转动组件与安装板连接，实现了支撑杆与安装板之间稳定的转动连接，提高了支撑杆的转动稳定性。

可选的，所述转动组件为关节轴承，所述支撑杆穿设于关节轴承内与安装板转动连接。

通过采用上述技术方案，关节轴承安装在安装板上，支撑杆穿设于关节轴承内，实现与安装板的转动连接。

可选的，所述转动组件包括第一轴承，所述第一轴承设置于安装板上，且所述第一轴承的转动轴线垂直于水平地面，所述第一轴承的内圈上设置有连接杆，所述连接杆沿第一轴承的内圈直径设置，所述连接杆上转动连接有第二轴承，所述第二轴承的内环套设于连接杆的中部，所述支撑杆套设与第二轴承的外环上，且所述支撑杆的转动中心位于第一轴承的圆心处。

通过采用上述技术方案，第一轴承设置在安装板上，实现第一轴承的内圈与安装板的转动连接，配重球受重力自然下垂时，配重球的中心位于第一轴承的转动轴线上。连接杆设置在第一轴承内圈的直径上，连接杆能够以第一轴承内圈的转动轴线顺时针或者逆时针转动。在连接杆的中部上套设有第二轴承，第二轴承的外环相对于内环发生转动，第二轴承上套设有支撑杆，且支撑杆的转动中心位于第一轴承的圆心处，实现支撑杆位于第一轴承内，可以360°任意角度的旋转。且相较于关节轴承，可增大支撑杆的转动角度，从而增大测量风速的范围。

可选的，所述支撑杆远离受力球的一侧设置有调节组件，所述调节组件位于第一轴承与配重球之间用于调节配重球与第一轴承之间的距离。

通过采用上述技术方案，调节组件设置在支撑杆上，且调节组件位于第一轴承与配重球之间，可调节配重球与第一轴承之间的距离。当风速较低时，缩短配重球距离第一轴承的距离，当风速较大时，增加配重球距离第一轴承的距离。

根据杠杆原理，同样的风速大小吹动受力球，配重球距离第一轴承的距离越近，受力球的位置移动越大，则倾角越大。故在风速较低时，可缩短配重球距离第一轴承的距离，风向风速检测仪可更灵敏更精准地测出风速与风向。在风速较高的情况下，受力球的偏移角度受到调节组件的限制，此时，可增加配重球距离第一轴承的距离，在同等风速的情况下，减小支撑杆摆动的倾角，即可扩大风向风速检测仪对风速的检测范围。

可选的，所述调节组件包括丝杠、滑杆和驱动丝杠转动的第一驱动件，所述丝杠与支撑杆转动连接，且所述丝杠的设置方向与支撑杆的设置方向一致，所述滑杆转动连接于丝杠，所述配重球位于滑杆远离支撑杆的一端；所述第一驱动件驱动丝杠转动，所述滑杆沿远离或靠近受力球的方向移动，所述控制装置用于接收倾角传感器传输的倾角信号并控制第一驱动件的启动。

通过采用上述技术方案，当受力球位移幅度过大，倾角传感器在Z轴上检测超过设定值时，倾角传感器上的Z轴信号传输至控制装置，控制装置可给第一驱动件发射电信号，从而控制第一驱动件的启动。第一驱动件启动，驱动丝杠转动，滑杆沿远离受力球的方向移动一定的距离，则增加了配重球与第一轴承之间的距离，提高了风速的检测范围。

当受力球的位移幅度过小，持续地小于设定值时，倾角传感器将信号传输至控制装置，控制装置同样给第一驱动件发射电信号，以驱动丝杠转动，转动连接在丝杠上的滑杆沿靠近受力球的方向移动，从而减少了配重球与之间的距离，增加了风速的检测灵敏性。

可选的，所述机壳上设置有底板，所述底板上设置有挡柱和第二驱动件，所述第二驱动件驱动挡柱沿远离或靠近安装板的方向移动。

通过采用上述技术方案，当所述倾角传感器检测到Z轴的倾角超过设定角度时，第二驱动件驱动挡柱沿靠近安装板的方向移动，在风结束的瞬间配重球回到初始位置处，与挡柱发生碰撞从而抵消掉大部分的动能，挡柱在第二驱动件的驱动下重新收回底板。

这个过程中，尽量避免了配重球由于惯性再摇摆一段，从而减少了在阵风检测下配重球自身惯性对检测结果的影响。即前面的一阵风的风力较强，对后面一阵风的风速与风向检测结果的影响。

当倾角传感器检测到Z轴的倾角低于设定角度时，第二驱动件驱动挡柱沿远离安装板的方向移动，在风力较小时，挡柱不会升起。从而能够尽量避免挡柱的存在影响到配重球位置变化。

可选的，所述配重球设置为磁性球，所述挡柱靠近配重球的一端设置有第一线圈，所述第一线圈用于接收控制装置传输的控制信号并产生吸附配重球的磁力。

通过采用上述技术方案，配重球为磁性球，且第一线圈设置在挡柱上。支撑杆在Z轴上的倾角超过一定的角度时，倾角传感器传输该信号给控制装置，控制装置在控制挡柱升起的同时，控制第一线圈通电并产生吸附配重球的磁力。在配重球靠近挡柱时，第一线圈产生的吸力辅助配重球的快速复位，使配重球更快地稳定在中心处，而进一步减少配重球自身惯性对风速检测的影响。

可选的，所述配重球设置为磁性球，所述底板上设置有第二线圈，所述第二线圈以第一轴承的轴线呈圆周设置，所述第二线圈用于接收控制装置传输的控制信号并产生吸附配重球的磁力。

通过采用上述技术方案，配重球为磁性球，且第二线圈以第一轴承的轴线呈圆周设置，则有助于配重球快速复位回到初始状态。当支撑杆在Z轴上的倾角在一定的角度范围时，倾角传感器传输信号给控制装置，控制装置控制第二线圈通电产生吸附配重球的磁力。可在阵风的环境中，辅助配重球快速复位，使配重球更快地稳定在中心处，而进一步减少配重球自身惯性对风速检测的影响。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.受力球的位置变化带动倾角传感器产生位移，倾角传感器负责记录变化的信号并传输至控制装置，可以计算变化量，即风速大小与对应的风向：根据倾角传感器在X、Y轴的合成的矢量，可计算出风向；根据倾角传感器在X、Y、Z三轴的角度进行相应的处理计算，可以测量出风速的大小。在风速较小时也可测得风速与风向，由于倾角传感器可精确测得小角度的变化，灵敏度较大，因此可测出较小的风速与风向变化，且配重球快速回落到初始位置，可减少惯性作用对风向风速检测结果的影响；

2.在风速较低时，可缩短配重球距离第一轴承的距离，风向风速检测仪可更灵敏更精准地测出风速与风向。在风速较高的情况下，受力球的偏移角度受到调节组件的限制，此时，可增加配重球距离第一轴承的距离，在同等风速的情况下，减小支撑杆摆动的倾角，即可扩大风向风速检测仪对风速的检测范围；

3.在阵风的环境中，第一线圈和/或第二线圈产生的吸力能够辅助配重球的快速复位，使配重球更快地稳定在中心处，而进一步减少配重球自身惯性对风速检测的影响。

附图说明

图1是本申请实施例1的风向风速检测仪的整体结构示意图。

图2是本申请实施例1的风向风速检测仪的局部剖视图。

图3是本申请实施例2的风向风速检测仪的局部剖视图。

图4是A部分的放大图。

图5是本申请实施例2的风向风速检测仪的局部剖视图。

附图标记说明：1、机壳；11、安装板；12、底板；121、挡柱；122、第二驱动件；123、第一线圈；124、第二线圈；2、支撑杆；21、倾角传感器；3、控制装置；4、受力球；5、配重球；6、转动组件；61、关节轴承；62、第一轴承；63、连接杆；64、第二轴承；7、调节组件；71、丝杠；72、滑杆；73、第一驱动件。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种风向风速检测仪。

实施例1

参照图1和图2，一种风向风速检测仪包括机壳1，在机壳1上螺栓固定有安装板11，安装板11上转动连接有支撑杆2，机壳1的内部设置有控制装置3。

支撑杆2远离机壳1的一端同轴固定粘接有受力球4，支撑杆2远离受力球4的一端同轴固定粘接有配重球5，且配重球5的质量大于受力球4的质量。在支撑杆2上安装有倾角传感器21，倾角传感器21位于安装板11与配重球5之间，倾角传感器21与控制装置3电连接，控制装置3为主控芯片。

参照图1和图2，当无风的情况下，支撑杆2保持垂直于地面的初始状态；当有风的情况下，风吹到受力球4的球面，由于风是不平均的，对应的风速也是不平均的，故作用在受力球4上的作用力会随着风速的变化进行改变。风吹到受力球4的球面时，受力球4顺风向发生倾斜，受力球4的位置发生变化，转动连接在安装板11上的支撑杆2同时产生位移。

位于支撑杆2上的倾角传感器21记录下X、Y、Z三轴上的倾角信号并传输该信号至控制装置3。控制装置3根据倾角传感器21在X、Y轴的合成的矢量，从而计算出风向；根据倾角传感器21在X、Y、Z三轴上的角度，进行相应的处理计算，从而计算出风速的大小。

由于倾角传感器21可精确测得小角度的变化，故可精确地测量得到风速与风向，并在风停止的时候，配重球5快速回落至初始位置，从而减少惯性作用对风速和风向检测结果的影响。

参照图1和图2，为了实现支撑杆2与安装板11之间的转动连接，在安装板11上设置有转动组件6，支撑杆2连接于转动组件6而实现与安装板11之间的转动连接。在本实施例中，转动组件6为关节轴承61，支撑杆2穿设于关节轴承61。

实施例1的实施原理为：

当风吹到受力球4的球面时，会使受力球4顺风向倾斜，根据倾角传感器21在X、Y轴的合成的矢量，可以计算出风向；根据传感器X、Y 、Z三轴的角度进行相应的处理计算，可以测量出风速的大小。

实施例2

参照图3和图4，本实施例与实施例1的不同之处在于，转动组件6不同，且配重球5与安装板11之间的距离可调节。

为了实现支撑杆2与安装板11之间的转动连接，转动组件6包括第一轴承62、连接杆63和第二轴承64。第一轴承62转动连接在连接在安装板11上，由于安装板11平行于水平地面设置，第一轴承62的外周侧固定在安装板11上，即第一轴承62的转动轴线垂直于水平地面。在第一轴承62的内圈上开设有卡槽，连接杆63自上而下卡接在第一轴承62的内圈上，且连接杆63位于第一轴承62内圈的直径上，连接杆63以第一轴承62的转动轴线做圆周运动。

在第一轴承62的中部套接有第二轴承64，且第二轴承64的内环于连接杆63套设固定，支撑杆2套接在第二轴承64的外环上，且支撑杆2的转动中心位于第一轴承62的圆心处。当有风吹向受力球4的球面时，支撑杆2能够穿设于第一轴承62内，以360°任意角度旋转，从而相较于关节轴承61，进一步增大支撑杆2的转动角度，从而增大测量风速的范围。

参照图4和图5，为了进一步增大测量风速的范围，在支撑杆2远离受力球4的一侧设置有调节组件7。由于调节组件7设置于安装板11远离机壳1的一侧，在测量风速时，有可能由于风吹至调节组件7上，而容易影响到风速测量的精度，故将调节组件7安装至安装板11与配重球5之间，调节组件7可调节配重球5与第一轴承62之间的距离。

调节组件7包括连接在支撑杆2远离受力球4一端的第一驱动件73，第一驱动件73远离支撑杆2的一侧转动连接有丝杠71，且丝杠71的设置方向与支撑杆2的方向一致。丝杠71上转动连接有滑杆72，滑杆72远离支撑杆2的一端与配重球5连接。

参照图3和图5，当倾角传感器21检测到受力球4在Z轴上的摆动幅度过大时，倾角传感器21将该信号传输至控制装置3，控制装置3向第一驱动件73发送启动信号。第一驱动件73开启，驱动丝杠71转动，使配重球5沿远离受力球4的方向移动一定的距离。

在本实施例，第一驱动件73为伺服电机，将Z轴上超过的倾角最大值设定为45°，倾角最小值设定为15°。

参照图3和图5，当支撑杆2在持续5秒内，转动角度持续大于45°时，控制装置3给伺服电机发生蓝牙信号，控制伺服电机的启动。伺服电机驱动丝杠71转动，配重球5沿远离受力球4的方向移动3厘米。若调整后支撑杆2的倾角依然大于45°，则再次启动伺服电机进行调整。通过增加配重球5与受力球4之间的距离，在同等风速下，支撑杆2倾斜的角度减小，可提高风速的检测范围。

当支撑杆2在持续的5秒内，倾角传感器21感应到支撑杆2在Z轴上倾角值低于15°时，伺服电机驱动丝杠71转动，配重球5沿靠近受力球4的方向移动3厘米。若调整后支撑杆2的倾角依然小于15°，则再次启动伺服电机进行调整。通过减小配重球5与受力球4之间的距离，在同等风速下，支撑杆2倾斜的角度增大，从而提升风速的检测灵敏性。

参照图3和图5，为了减少在阵风情况下，由于配重球5自身惯性作用对检测结果产生的影响。机架上螺栓连接有底板12，在底板12上安装有第二驱动件122，第二驱动件122靠近安装板11的一侧设置有挡柱121，挡柱121设置为圆柱体且圆柱的中心位于第一轴承62的轴线处。

参照图4和图5，将第二驱动件122的启动角度设置为30°，当倾角传感器21感应到支撑杆2在Z轴上的倾角值高于30°时，第二驱动件122驱动挡柱121沿靠近安装座的方向移动，在阵风情况下，前面的一阵风的风力较强，在风力消失时配重球5下坠，配重球5会存在惯性往反向倾斜一定角度。

由于设置了挡柱121，在支撑柱Z轴的倾角值持续3秒内高于30°时，第二驱动件122驱动挡柱121升起，在风力降低甚至消失时，配重球5下坠撞上挡柱121，可抵消掉大部分的动能，配重球5不易因自身惯性反向倾斜。随后挡柱121收回，在下一阵风吹向受力球4时，可提高风速测量的精确度。

在支撑柱Z轴的倾角值低于15°时，挡柱121在第二驱动件122的驱动下回收。

在本实施例中，第二驱动件122设置为气缸，挡柱121设置为硅胶弹性材料，在配重球5撞击挡柱121时可利用硅胶自身弹力，起到缓冲减震的作用。

参照图3和图5，为了进一步降低配重球5自身惯性作用对检测结果产生的影响，配重球5设置为磁性球，在挡柱121靠近安装板11的一端设置有第一线圈123。第一线圈123与控制装置3的不同输出端电性连接。

参照图3和图5，控制装置3接收到倾角值变化速度过大的信号时，可输出对应的调整指令至第一线圈123，使第一线圈123通电设定时间为0.5秒，对配重球5产生相吸的作用力。当配重球5下落的过程中辅助吸引配重球5靠近挡柱121，随后磁力取消。

在底板12上环绕设置有第二线圈124，且第二线圈124以第一轴承62的轴线呈圆周设置，第二线圈124与控制装置3的不同输出端电性连接。当支撑杆2短时间内（低于3秒）在Z轴的倾角值超过30°时，又快速地回落，此时第二线圈124可接收到控制装置3发出的信号，使第二线圈124通电0.5秒，对配重球5产生相吸的作用力，辅助配重球5回落至初始位置。

通过设置第一线圈123与第二线圈124，在阵风环境中，进一步减小配重球5自身惯性对风速检测造成的影响。

实施例2的实施原理为：

当风吹到受力球4的球面时，会使受力球4顺风向倾斜，根据倾角传感器21在X、Y轴的合成的矢量，可以计算出风向；根据传感器X、Y 、Z三轴的角度进行相应的处理计算，可以测量出风速的大小。

当风速过大时，支撑杆2的倾角过大并保持一段时间时，第一驱动件73驱动配重球5沿远离受力球4的方向移动；当支撑杆2的倾角较小，第一驱动件73驱动配重球5沿靠近受力球4的方向移动。

在阵风环境中，风速快速变化，导致倾角的变化幅度大。支撑杆2的倾角超过一定的角度时，挡柱121在第二驱动件122的作用下沿靠近配重球5的方向移动，配重球5回落撞击挡柱121可抵消大部分动能，减少对下一阵风速测试精度的影响。同时，第一线圈123与第二线圈124可在设定范围下启动辅助配重球5回复初始位置。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。