风速检测仪器有哪些

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2. 风是怎么测量的

风力不仅有大小还有方向，可通过仪器来测量风力的大小与方向。根据测量原理主要有以下几类：机械式、超声波式、声振荡、压力式与热线式等。

3. 风洞测试仪器的气流速度测量

主要有皮托-静压管、热线风速仪和激光多普勒测速仪。
皮托-静压管
测量气流速度最常用的仪器,是由皮托管演变而来的。皮托管是一根圆柱形管子，一端开口，另一端连在压力计上，用以测量气流总压。这种管子是H.皮托在1872年用来测量河流的水深和流速关系的。皮托-静压管除了象皮托管一样，可以感受气流总压外,还可同时测量气流静压。图5是低亚声速时使用的一根典型的皮托- 静压管结构示意图。它有内管和外管。内管测量总压。静压孔开在外管上同头部有一定距离处。根据伯努利方程（见伯努利定理）由总压孔和静压孔测得的压差经过换算即可得到流速。它可用于从1～2米/秒到临界速度以下范围内的速度测量。这种管子的前端多为半球形，总压孔在轴线上，它对管子形状不敏感。静压孔则受端头和后面的支杆影响很大。由于两者的影响相反，只要精心设计就可以减小这种影响。为减少气流方向偏斜的影响，有时可沿圆周方向开多个静压孔。为了避免设计和加工引起的误差，在使用前要进行校正。


图5 皮托－静压管示意图
热线风速仪
依据非电量电测法的原理测量气流速度、温度和密度的仪器，已有70多年的使用历史。它的传感器（俗称探头）是一条长度远大于直径的细金属丝，简称热丝,或是一片厚度非常薄的金属膜,简称热膜。测量时，将此热丝或热膜置于待测气流中，同时又连接于电桥的一臂，用电流加热，使热丝或热膜本身温度高于待测气流介质的温度。气流状态变化，引起热丝或热膜与气流介质之间的热传递发生变化，从而使热丝或热膜两端的电压发生变化，由此可测得气流的速度、温度或密度的平均值和瞬时值。热线风速仪的电路有两种类型：一是维持热线温度不变的恒温式；一是维持热线电流不变的恒流式。热线两端的电压变化一般经放大、补偿后才进行测量。从前测得的电信号都是用电模拟法来处理。近年来，热线或热膜测得的电信号输入到电子计算机处理，使测量精度更高，因而应用范围更广。热丝直径仅有1～5微米;长度仅0.5～1毫米。热膜厚度仅为5～10纳米。热丝材料为铂或钨，或含铑的铂铑合金丝，或包银的渥拉斯顿丝。热膜材料多是铂或镍，有时还在上面喷镀一层2～5微米的石英，以便用于导电液体中的测量。
激光多普勒测速计
利用光的多普勒频移效应，用激光作光源，测量气体、液体、固体速度的一种装置。1842年奥地利物理学家C.多普勒发现了声波的多普勒效应。1905年A.爱因斯坦在狭义相对论中指出，多普勒效应也能在光波中发生。光照射到运动的粒子上发生散射时，散射光的频率相对入射光的频率发生变化。频率的偏移量与运动粒子的速度成正比。当流场中散射粒子的直径与入射光的波长为同一量级，且散射粒子的重量与周围流场粒子重量相近时，散射粒子的运动速度基本上代表流场的局部流速。美国Y.耶和H.卡明斯于1964年第一次报道利用激光多普勒频移效应进行流体速度测量。
激光多普勒测速计包括光学系统和信号处理系统。光学系统将激光束照射到跟随流体运动的粒子上，并使被测点（体积）的散射光会聚进入光电接收器。按接受散射光的方式光学系统可分为前向散射型、后向散射型和混合散射型。按光学结构可分为参考光型、双散射型、条纹型和偏振光型。图6为前向双散射型原理图。 光电接收器（光电倍增管、硅光二极管等）接收随时间变化的两束散射光波，经混频后输出信号的频率是两部分光波的频率差，与流速成正比。采用信号处理系统把反映流速的真正信息从各种噪声中检测出来,并转换成模拟量或数字量,作进一步处理或显示。常用的信号处理器有频率分析仪、频率跟踪器、计数式处理器等。从原理上讲，激光多普勒测速计是直接测量速度的唯一手段。在风洞实验中可用它测量局部速度、平均速度、湍流强度、速度脉动等，适用于研究激波和边界层的分离干扰区、旋翼速度场、有引射的边界层以及高温流等。测速仪器或装置的测速范围从0.05厘米/秒到2000米/秒。测量高速时受光电器件频率响应范围的限制。实验中，有时需要用专门的粒子播发装置把不同大小的粒子掺入气流中。由于散射粒子惯性等的影响，粒子运动速度滞后于流体，因而测速精度较低，湍流度高时精度更低。

图6 激光多普勒测速计(前向双散射型)原理图
巡回检测装置
按一定次序或随机采集多个电压或电流信号（称为模拟量），并把这些模拟量转化为二进制或十进制数字量的装置（简称检测装置）。
巡回检测装置的输入模拟量由受感转换器件（如传感器、测力天平等）通过传输线送入，它的输出数字量送入计算机处理或其他记录设备（如打印机、穿孔机、磁带等）记录。它在风洞测试系统中的位置见图7。巡回检测装置一般由采样器、数据放大器、模数转换器、滤波器、显示器、接口和控制器等部件组成（图8）。采样器是一个通过程序控制的电子或机械开关，能以周期性的时间间隔或任意时间间隔采集某一连续变量值。采样器由采样开关、通道计数器、通道译码器、循环次数计数器、时钟等部件组成。采样器的工作速度，从每秒几十次到每秒几万次。数据放大器是放大输入信号的部件,一般能把几毫伏信号放大成几伏,然后送入模数转换器，还能抑制干扰信号并从中拾取有用信号。模数转换器 (A/D)可将被测电压模拟量（连续）转换为数字量（离散）。它的种类很多，最常用的一种叫反馈比较型模数转换器，由比较器、模数转换器（有解码开关、电阻网络、数码寄存器）、节拍产生器、转换控制器、基准电压源、脉冲源等组成。 滤波器的作用是滤去信号源中无用信号。由电阻电容或电感电容组成的滤波器称无源滤波器；由电阻电容和放大器组成的滤波器称有源滤波器；由计算机进行处理而消除干扰信号的称数字滤波器。显示器是显示测量参数的部件，由选点显示开关、二进制变成十进制的运算器、译码器和数码管组成。接口是两个不同设备互联时的交接部分。检测装置中所有部件间的信息传递和相互协调都由控制器完成。

图7 巡回检测装置在风洞测试系统中的位置

图8 巡回检测装置方框图