風杯式風速傳感器工作原理是:風向袋風速傳感器的感應元件為三杯式回轉(zhuǎn)架,信號變換電路為霍爾開關(guān)電路。在水平風力作用下,風向袋風杯組旋轉(zhuǎn),通過主軸帶動磁棒盤旋轉(zhuǎn),其上的36只磁體形成18個小磁場,風杯組每旋轉(zhuǎn)1圈,風向袋在霍爾開關(guān)電路中感應出18個脈沖信號,其頻率隨風速的增大而線性增加。其校準方程為:V= 0.1F(V:風速,單位:m/s;F:脈沖頻率,單位:Hz。)。
                                  

　　風向袋傳感器的感應元件為風向袋標組件。角度變換為格雷碼盤加光電電路。當風向袋標組件隨風向袋旋轉(zhuǎn)時,帶動主軸及碼盤一同旋轉(zhuǎn),每轉(zhuǎn)動2.8125°,位于光電器件支架上下兩邊的7位光電變換電路就輸出1組新的7位并行格雷碼,風向袋電路整形并反相后輸出。傳感器具有動態(tài)特性好、線性好、精度高、靈敏度高(3°;0.1 m/s)、抗風強度高(≤70 m/s)、測量范圍寬(0~60 m/s)、互換性好、工作可靠、風向袋抗雷電干擾能力強等多種優(yōu)良性能。風杯由特種工程塑料注塑成型,風向袋標尾翼板用質(zhì)量輕、強度高、剛性好且在高溫高壓條件下成型的非金屬材料制造。具有重量輕,強度好、抗風能力強等特點。

　　風向袋風速監(jiān)測儀的核心硬件介紹

　　數(shù)據(jù)采集器硬件電路為風向袋風速監(jiān)測儀的核心,設計采用目前成熟,可靠的技術(shù)。數(shù)據(jù)采集器硬件由控制器(CPU)電路單元、風向袋風速接口電路單元、電源轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲單元、RS-232通信單元組成。

　　控制器(CPU)電路單元：控制器單元電路是數(shù)據(jù)采集器的控制中心,風向袋控制各部分完成數(shù)據(jù)采集、計算、存儲、通信等功能。CPU采用PHILIPS公司8位中央處理器P89C58。P89C58是以80C51為核心,具有32k字節(jié)FLASH,128字節(jié)RAM、布爾處理器、全靜態(tài)操作、寬溫度范圍、雙數(shù)據(jù)指針、風向袋3個保密位、4個中斷優(yōu)先級、6個中斷源、4個8位I/O口、全雙工增強型UART等特點。適合本項目應用。P89C58P0口既是地址口,又是數(shù)據(jù)口。風向袋通過擴展一塊74HC373來實現(xiàn)數(shù)據(jù)口和地址口的復用。P89C58的外圍還需要加上晶振電路(12MHz)、地址片選電路(74HC138)、數(shù)據(jù)地址鎖存器(74HC373)、看門狗電路(X5045)組成控制器電路單元。

　　風向袋風速接口電路單元：風向袋輸出的特性為:風向袋為7位格雷碼,風速為脈沖頻率信號。接口電路為傳感器提供5V DC電源。風速脈沖通過接口單元的RC濾波、施密特觸發(fā)器整形后,送到計數(shù)器74HC393進行計數(shù)。風向袋7位格雷碼電平信號通過接口電路的74HC245整形驅(qū)動后輸入控制電路單元。CPU得到格雷碼后經(jīng)處理可以得到瞬時風向袋數(shù)據(jù)。

　　如何在風向袋中應用不確定度

　　與傳統(tǒng)的以誤差理論表示測量結(jié)果相比較風向袋引入測量不確定度應該是測量技術(shù)認識進步的標志。不確定度是一個合理表征被測量離散程度的量,用它可以對測量的結(jié)果做出綜合的評定。它表示的是因測量誤差的存在而對被測量不能肯定的程度。對實驗具體數(shù)據(jù)而言,不確定度測量值(近似值)附近的一個范圍,測量值與真值之差可能落于其中,不確定度小,測量結(jié)果可信賴程度高;風向袋不確定度大,測量結(jié)果可信賴程度低。用不確定度評定實驗結(jié)果的誤差,其中包含了各種不同的誤差來源對結(jié)果的影響,而它們又反映了這些誤差所服從的分布規(guī)律,能更準確地表達測量結(jié)果的可靠程度。本文我們主要討論如何在風向袋中應用不確定度。

　　我國氣象部門計量校準實驗室對溫度、濕度、氣壓、風速等四大要素的不確定度評定大部份采用示值誤差的測量不確定度評定。風向袋由于測量這四大要素的儀器是多種多樣,在評定時,采用各種不同的儀器作為代表的樣本,因此,在測量過程中,應用了合并樣本標準差作為A類多次重復性測量的標準不確定度,這樣就不需要在每次的測量中進行重復性不確定度的評定。風向袋風速監(jiān)測儀中，標準風向袋風速測量是通過間接測量流體壓力———補償式微差壓計水柱高度,進而換算成標準風速。如對風速測量不確定度評定時,標準器相當風速的數(shù)值是直接采用公式伯努利方程,即:ΔP=PZ-PJ,ΔP為空氣流動的動壓力;PZ為總壓力;PJ為靜壓力。風向袋風速與流體動壓力存在的關(guān)系:ΔP=0.5ρV2,式中:ρ為空氣密度,kg/m3;V為風速,m/s。從而可以導出計算風速公式:V=(2ΔP/ρ)1/2。根據(jù)以上理論,在測量中,標準器相當風速是通過皮托靜壓管和二等補償式微差壓計測量,依據(jù)規(guī)程用水柱高度計算相當風速vi=4（H）1/2來實現(xiàn)的。由上述推導公式所得出的相當風向袋風速值作為標準風速值。