風速檢測儀器有哪些

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2. 風是怎麼測量的

風力不僅有大小還有方向，可通過儀器來測量風力的大小與方向。根據測量原理主要有以下幾類：機械式、超聲波式、聲振盪、壓力式與熱線式等。

3. 風洞測試儀器的氣流速度測量

主要有皮托-靜壓管、熱線風速儀和激光多普勒測速儀。
皮托-靜壓管
測量氣流速度最常用的儀器,是由皮託管演變而來的。皮託管是一根圓柱形管子，一端開口，另一端連在壓力計上，用以測量氣流總壓。這種管子是H.皮托在1872年用來測量河流的水深和流速關系的。皮托-靜壓管除了象皮託管一樣，可以感受氣流總壓外,還可同時測量氣流靜壓。圖5是低亞聲速時使用的一根典型的皮托- 靜壓管結構示意圖。它有內管和外管。內管測量總壓。靜壓孔開在外管上同頭部有一定距離處。根據伯努利方程（見伯努利定理）由總壓孔和靜壓孔測得的壓差經過換算即可得到流速。它可用於從1～2米/秒到臨界速度以下范圍內的速度測量。這種管子的前端多為半球形，總壓孔在軸線上，它對管子形狀不敏感。靜壓孔則受端頭和後面的支桿影響很大。由於兩者的影響相反，只要精心設計就可以減小這種影響。為減少氣流方向偏斜的影響，有時可沿圓周方向開多個靜壓孔。為了避免設計和加工引起的誤差，在使用前要進行校正。


圖5 皮托－靜壓管示意圖
熱線風速儀
依據非電量電測法的原理測量氣流速度、溫度和密度的儀器，已有70多年的使用歷史。它的感測器（俗稱探頭）是一條長度遠大於直徑的細金屬絲，簡稱熱絲,或是一片厚度非常薄的金屬膜,簡稱熱膜。測量時，將此熱絲或熱膜置於待測氣流中，同時又連接於電橋的一臂，用電流加熱，使熱絲或熱膜本身溫度高於待測氣流介質的溫度。氣流狀態變化，引起熱絲或熱膜與氣流介質之間的熱傳遞發生變化，從而使熱絲或熱膜兩端的電壓發生變化，由此可測得氣流的速度、溫度或密度的平均值和瞬時值。熱線風速儀的電路有兩種類型：一是維持熱線溫度不變的恆溫式；一是維持熱線電流不變的恆流式。熱線兩端的電壓變化一般經放大、補償後才進行測量。從前測得的電信號都是用電模擬法來處理。近年來，熱線或熱膜測得的電信號輸入到電子計算機處理，使測量精度更高，因而應用范圍更廣。熱絲直徑僅有1～5微米;長度僅0.5～1毫米。熱膜厚度僅為5～10納米。熱絲材料為鉑或鎢，或含銠的鉑銠合金絲，或包銀的渥拉斯頓絲。熱膜材料多是鉑或鎳，有時還在上面噴鍍一層2～5微米的石英，以便用於導電液體中的測量。
激光多普勒測速計
利用光的多普勒頻移效應，用激光作光源，測量氣體、液體、固體速度的一種裝置。1842年奧地利物理學家C.多普勒發現了聲波的多普勒效應。1905年A.愛因斯坦在狹義相對論中指出，多普勒效應也能在光波中發生。光照射到運動的粒子上發生散射時，散射光的頻率相對入射光的頻率發生變化。頻率的偏移量與運動粒子的速度成正比。當流場中散射粒子的直徑與入射光的波長為同一量級，且散射粒子的重量與周圍流場粒子重量相近時，散射粒子的運動速度基本上代表流場的局部流速。美國Y.耶和H.卡明斯於1964年第一次報道利用激光多普勒頻移效應進行流體速度測量。
激光多普勒測速計包括光學系統和信號處理系統。光學系統將激光束照射到跟隨流體運動的粒子上，並使被測點（體積）的散射光會聚進入光電接收器。按接受散射光的方式光學系統可分為前向散射型、後向散射型和混合散射型。按光學結構可分為參考光型、雙散射型、條紋型和偏振光型。圖6為前向雙散射型原理圖。 光電接收器（光電倍增管、硅光二極體等）接收隨時間變化的兩束散射光波，經混頻後輸出信號的頻率是兩部分光波的頻率差，與流速成正比。採用信號處理系統把反映流速的真正信息從各種雜訊中檢測出來,並轉換成模擬量或數字量,作進一步處理或顯示。常用的信號處理器有頻率分析儀、頻率跟蹤器、計數式處理器等。從原理上講，激光多普勒測速計是直接測量速度的唯一手段。在風洞實驗中可用它測量局部速度、平均速度、湍流強度、速度脈動等，適用於研究激波和邊界層的分離干擾區、旋翼速度場、有引射的邊界層以及高溫流等。測速儀器或裝置的測速范圍從0.05厘米/秒到2000米/秒。測量高速時受光電器件頻率響應范圍的限制。實驗中，有時需要用專門的粒子播發裝置把不同大小的粒子摻入氣流中。由於散射粒子慣性等的影響，粒子運動速度滯後於流體，因而測速精度較低，湍流度高時精度更低。

圖6 激光多普勒測速計(前向雙散射型)原理圖
巡迴檢測裝置
按一定次序或隨機採集多個電壓或電流信號（稱為模擬量），並把這些模擬量轉化為二進制或十進制數字量的裝置（簡稱檢測裝置）。
巡迴檢測裝置的輸入模擬量由受感轉換器件（如感測器、測力天平等）通過傳輸線送入，它的輸出數字量送入計算機處理或其他記錄設備（如列印機、穿孔機、磁帶等）記錄。它在風洞測試系統中的位置見圖7。巡迴檢測裝置一般由采樣器、數據放大器、模數轉換器、濾波器、顯示器、介面和控制器等部件組成（圖8）。采樣器是一個通過程序控制的電子或機械開關，能以周期性的時間間隔或任意時間間隔採集某一連續變數值。采樣器由采樣開關、通道計數器、通道解碼器、循環次數計數器、時鍾等部件組成。采樣器的工作速度，從每秒幾十次到每秒幾萬次。數據放大器是放大輸入信號的部件,一般能把幾毫伏信號放大成幾伏,然後送入模數轉換器，還能抑制干擾信號並從中拾取有用信號。模數轉換器 (A/D)可將被測電壓模擬量（連續）轉換為數字量（離散）。它的種類很多，最常用的一種叫反饋比較型模數轉換器，由比較器、模數轉換器（有解碼開關、電阻網路、數碼寄存器）、節拍產生器、轉換控制器、基準電壓源、脈沖源等組成。 濾波器的作用是濾去信號源中無用信號。由電阻電容或電感電容組成的濾波器稱無源濾波器；由電阻電容和放大器組成的濾波器稱有源濾波器；由計算機進行處理而消除干擾信號的稱數字濾波器。顯示器是顯示測量參數的部件，由選點顯示開關、二進制變成十進制的運算器、解碼器和數碼管組成。介面是兩個不同設備互聯時的交接部分。檢測裝置中所有部件間的信息傳遞和相互協調都由控制器完成。

圖7 巡迴檢測裝置在風洞測試系統中的位置

圖8 巡迴檢測裝置方框圖