風(fēng)言風(fēng)語之三——測風(fēng)技術(shù)（熱式風(fēng)速傳感器）

風(fēng)言風(fēng)語之——測風(fēng)技術(shù)

當(dāng)前測風(fēng)技術(shù)豐富多樣、風(fēng)速傳感器品類繁多，其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用形式也各有不同。但有關(guān)描述風(fēng)特性的指標(biāo)并不是很多，主要有：風(fēng)速、風(fēng)溫、風(fēng)向、風(fēng)壓等，暖通空調(diào)中的風(fēng)量是基于以上參數(shù)的間接計算值。這里僅以最主要的指標(biāo)——風(fēng)速（空氣流速）作為參照指標(biāo)，簡略概括一下常見的測風(fēng)技術(shù)和傳感器儀器等。

NO1  機(jī)械式測風(fēng) ——主要指轉(zhuǎn)杯式或葉輪式測風(fēng)。其原理是當(dāng)風(fēng)驅(qū)動扇葉或風(fēng)杯使其旋轉(zhuǎn)，扇葉或風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速呈現(xiàn)正比例關(guān)系。通過測量扇葉或風(fēng)杯的旋轉(zhuǎn)來反映實(shí)際風(fēng)速的大小。從信號轉(zhuǎn)換及采集角度，常通過測量電機(jī)速度、觸電開合速度、以及閃光速度來間接測量風(fēng)速。

機(jī)械式測風(fēng)優(yōu)缺點(diǎn)：機(jī)械式測量優(yōu)點(diǎn)在于，機(jī)構(gòu)精簡便于操作，抗外界干擾能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好；缺點(diǎn)是采用機(jī)械式測量一個不能忽視的因素就是摩擦力的影響。摩擦力的影響直接導(dǎo)致了測量精度和最大限值風(fēng)速的測量不準(zhǔn)確。此外這種測量方式對于突變風(fēng)的靈敏度不高也是其缺點(diǎn)之一。比如啟動風(fēng)速往往就需要0.5m/s以上，可測試下限范圍不理想，適合測試高風(fēng)速。

NO2 比托管測風(fēng) ——利用特定的結(jié)構(gòu)，將風(fēng)總壓（動壓+靜壓）和靜壓分開，產(chǎn)生壓差對應(yīng)風(fēng)速。皮托管的構(gòu)造頭部為半球形，后為一雙層套管。對于不可壓縮流動，根據(jù)伯努利方程和能量方程可求出氣流馬赫數(shù)，進(jìn)而再求速度。

缺點(diǎn)：皮托管很難精確測試低于2m/s和超聲范圍的風(fēng)速；同時壓差與大氣壓、溫度緊密相關(guān)，必須實(shí)時測試風(fēng)溫和氣壓進(jìn)行修正才能相對準(zhǔn)確。

NO3  超聲波測風(fēng) ——加載一個超聲波機(jī)械能，空氣為載體，流速和波傳播速度疊加產(chǎn)生對于關(guān)系。基本原理是根據(jù)聲波信號在介質(zhì)中傳播與氣體流動的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)測量的。速度差不能直接測量，一般轉(zhuǎn)換成超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)路徑上傳播的時間差。

優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)采用非接觸式測量，不干擾風(fēng)場，無壓力損失；不存在機(jī)械磨損；可捕捉瞬時的風(fēng)速微小變化，不要求啟動風(fēng)速。缺點(diǎn)，對安裝要求十分嚴(yán)格；其次，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故障排除較困難，所以對安裝地點(diǎn)環(huán)境的要求較高。

NO4  熱式傳感技術(shù) ——加熱的熱敏可變阻性器件或材料（熱敏電阻，PTC或NTC，或熱電偶）其散熱速率和風(fēng)速對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。從結(jié)構(gòu)形式可分為熱線、熱球、熱膜式等。

風(fēng)溫測試：基于以上的基本原理可知，影響熱平衡的除了風(fēng)速外界因素，還有當(dāng)前的環(huán)境溫度。即環(huán)境溫度和風(fēng)速的不同組合都會使得感風(fēng)器件產(chǎn)生一樣的電信號。這樣，就必須知道當(dāng)前溫度值，計算出環(huán)境溫度引起的散熱變化量，才能準(zhǔn)確計算風(fēng)速引起的散熱變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測試。

基本原理：激光測量法激光激光多普勒測速儀的測量方式分為相干方式和非相干方式2種。目前常采用非相干方式。大氣后向散射光進(jìn)入頻率檢測器件，頻率檢測器件對不同的頻率具有不同的透射率，從而將頻率信號轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信號，根據(jù)信號強(qiáng)度可以得到多普勒頻移信息。

優(yōu)缺點(diǎn)：激光多普勒測速儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：非接觸式測量，對流場無干擾；空間分辨率高，測量點(diǎn)的空間容積很小，滿足點(diǎn)測量的要求；測量精度高，測量公式是一個精確的物理關(guān)系式，基本上與流體的其他特征無關(guān)，如溫度、壓力等。缺點(diǎn)就是價格昂貴、操作維護(hù)困難。且是一個系統(tǒng)性產(chǎn)品，需要專業(yè)軟件支撐。

正視差距，砥礪前行

測風(fēng)傳感器及儀器同其它科學(xué)儀器一樣，和發(fā)達(dá)國家相比，依然差距巨大，特別是測試儀器。造成巨大差距的原因是多方面的，也很復(fù)雜，有歷史原因、戰(zhàn)略失策、意識落后、外部沖擊等等。

下面用令人痛惜的激光多普勒測速儀為例，就能體會到我們究竟錯失了多少機(jī)遇：

1964，哥倫比亞大學(xué)將頻移用于測速，提出人實(shí)為留美華人葉寅，其父葉楷也是清華大學(xué)教授。1971 DISA(丹麥丹迪DANTEC公司前身)推出LDA（Laser Doppler Anemometry ）激光多普勒測速儀。幾乎同步的1973年底，清華大學(xué)與寧夏銀河儀表廠正式合作開發(fā)多普勒測速儀，1975年6月，正式樣機(jī)研制成功，并生產(chǎn)了5臺成品。

但后來，丹麥丹迪公司的產(chǎn)品走向了世界，而中國的激光多普勒測速儀止步于清華大學(xué)的校內(nèi)博物館。

丹麥多普勒測試儀樣機(jī)

現(xiàn)存于清華大學(xué)校內(nèi)博物館的多普勒測試儀樣機(jī)

探究主流測風(fēng)技術(shù)的演進(jìn)與產(chǎn)品的迭代發(fā)展，回溯前輩們拼搏的崢嶸歲月以及途中遭遇的挫折坎坷，這對于本土科儀人而言，無疑是一種強(qiáng)勁的激勵，更是深刻的警示。知曉差距與不足后，激發(fā)出奮進(jìn)的勇氣，本土科儀人正以堅定的步伐，全力開拓一條特色的發(fā)展之路，在這條充滿挑戰(zhàn)的征程中，持續(xù)磨礪，勇往直前，絕不停歇！

熱式風(fēng)速傳感器：全向型/定向型，高精度風(fēng)速傳感器