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1、 5.4 5.4 风速传感器原理风速传感器原理 5.4.1 5.4.1 超声波漩涡式风速传感器超声波漩涡式风速传感器输出输出电路电路整形器整形器脉冲脉冲接收器接收器调幅调幅调幅波调幅波接收换能器接收换能器发生杆发生杆风流风流发射换能器发射换能器等幅波等幅波振荡器振荡器输出输出电路电路整形器整形器脉冲脉冲接收器接收器调幅调幅调幅波调幅波接收换能器接收换能器发生杆发生杆风流风流发射换能器发射换能器等幅波等幅波振荡器振荡器 在垂直风流流向的中央部位插入一根无限长的非流线形阻挡在垂直风流流向的中央部位插入一根无限长的非流线形阻挡体，称为发生杆，当风流撞到发生杆后，将造成风流下游产生体，称为发生杆，当风
2、流撞到发生杆后，将造成风流下游产生两列内旋，互相交替的漩涡，若对风流速度，阻挡体（发生杆）两列内旋，互相交替的漩涡，若对风流速度，阻挡体（发生杆）截面积和形状作适当的限制，则漩涡频率与流速成正比：截面积和形状作适当的限制，则漩涡频率与流速成正比：输出输出电路电路整形器整形器脉冲脉冲接收器接收器调幅调幅调幅波调幅波接收换能器接收换能器发生杆发生杆风流风流发射换能器发射换能器等幅波等幅波振荡器振荡器 （5-11）式中：式中：ff漩涡频率漩涡频率SS常数常数VV未扰动流体速度未扰动流体速度dd阻挡体宽度（或直径）阻挡体宽度（或直径）fS输出输出电路电路整形器整形器脉冲脉冲接收器接收器调幅调幅调幅波调
3、幅波接收换能器接收换能器发生杆发生杆风流风流发射换能器发射换能器等幅波等幅波振荡器振荡器 由于超声波在传播途中遇到气流漩涡时，会因漩涡内压力由于超声波在传播途中遇到气流漩涡时，会因漩涡内压力梯度涡街旋转运动等因素影响，使通过漩涡的大部分超声波能梯度涡街旋转运动等因素影响，使通过漩涡的大部分超声波能量被折射或反射，结果导致接收端接受到的能量减少，而且超量被折射或反射，结果导致接收端接受到的能量减少，而且超声波亦不再是等幅波（已被变为调幅波）。声波亦不再是等幅波（已被变为调幅波）。输出输出电路电路整形器整形器脉冲脉冲接收器接收器调幅调幅调幅波调幅波接收换能器接收换能器发生杆发生杆风流风流发射换能器
4、发射换能器等幅波等幅波振荡器振荡器 测试实验数据证明测试实验数据证明:在超声波传播的波束中，每出现一个气在超声波传播的波束中，每出现一个气流漩涡，超声波就被调制一次。单位时间内，漩涡产生的个数流漩涡，超声波就被调制一次。单位时间内，漩涡产生的个数与风速成正比。据此实现了风速的测量。与风速成正比。据此实现了风速的测量。 接收换能器收到的被漩涡调制后的信号，还要经过调幅接接收换能器收到的被漩涡调制后的信号，还要经过调幅接收器，脉冲整形器处理，然后再由输出电路输出风速参数收器，脉冲整形器处理，然后再由输出电路输出风速参数“V”。超声波风速传感器具有如下优点：超声波风速传感器具有如下优点：1 1）因无
5、运动部件，故无机械磨损，）因无运动部件，故无机械磨损，使用寿命长使用寿命长。2 2）测量显示值是与风速成正比的频率信号，）测量显示值是与风速成正比的频率信号，无零无零点漂移点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会影响输出，且敏感元件灵敏度变化不会影响输出，测量精度高测量精度高。3 3）测量结果）测量结果不受流体特性不受流体特性（温度、湿度、压力、（温度、湿度、压力、密度、矿尘等）密度、矿尘等）影响影响。4 4）响应迅速响应迅速。 5.4.2 5.4.2 超声波时差法风速传感器超声波时差法风速传感器在无风流状态下（在无风流状态下（v=0v=0），超声波以速度），超声波以速度C C从甲地从甲地传到乙地，传
6、播时间为：传到乙地，传播时间为： t = L/C = L/C v=L/(cv 5.4.2 5.4.2 超声波时差法风速传感器超声波时差法风速传感器若风向如图实线所示，风速为若风向如图实线所示，风速为v v，则超声波从甲，则超声波从甲地传到乙地所用的时间为：地传到乙地所用的时间为：v=L/(cv式中式中: : 风速在超声波传播方向上的分量。风速在超声波传播方向上的分量。 5.4.2 5.4.2 超声波时差法风速传感器超声波时差法风速传感器 若风向如图中虚线所示，风速为若风向如图中虚线所示，风速为V,V,则超声波从则超声波从甲地传到乙地所用的时间为：甲地传到乙地所用的时间为：v=L/(cv取取L=
7、LL=L1 1=L=L2 2，超声波发射器，超声波发射器S S1 1、S S2 2与超声波接收器与超声波接收器R R1 1、R R2 2沿巷道轴心线对称布置。在沿巷道轴心线对称布置。在t t0 0时刻，采用控制时刻，采用控制器发生脉宽器发生脉宽S S的控制信号。这时，的控制信号。这时，S S1 1、S S2 2将同时发射将同时发射断续超声波束。由于超声波的方向性好，所以两波断续超声波束。由于超声波的方向性好，所以两波束互不干扰。束互不干扰。 因一波束是顺风的，另一波束是逆风的，因一波束是顺风的，另一波束是逆风的，R1 1、R2 2接受超声波前沿的时间将分别为：接受超声波前沿的时间将分别为：；则
8、则“与门与门”输出脉冲的宽度为：输出脉冲的宽度为：因为超声波速度因为超声波速度 C远大于远大于风速风速v，即，即C v 则有：则有： 利用计数显示电路测出值，就实现了风速的测利用计数显示电路测出值，就实现了风速的测量。如果巷道断面为量。如果巷道断面为A ，则巷道风量为：，则巷道风量为：1.光电式叶轮风速传感器光电式叶轮风速传感器5.4.3 光电与干簧管型叶轮式风速传感器光电与干簧管型叶轮式风速传感器 随着叶轮的不断旋转，光束被不断遮挡，随着叶轮的不断旋转，光束被不断遮挡，T1就不断地导通和截就不断地导通和截止，也就不停的输出了与风速成正比的频率信号，将频率信号进止，也就不停的输出了与风速成正比
9、的频率信号，将频率信号进行计数、显示、行计数、显示、F/V变换、远传至监控系统。实现了风速测量。变换、远传至监控系统。实现了风速测量。D1D1外壳外壳D2叶轮叶轮R R1 1R2R R3 3D1D2D3T1计计 数数显显 示示 fv转转 换换+V2. 2. 干簧管式叶轮风速传感器干簧管式叶轮风速传感器干簧管是一种磁敏特殊开干簧管是一种磁敏特殊开关，也称干簧继电器。它关，也称干簧继电器。它通常由两个或三个软磁性通常由两个或三个软磁性材料做成的簧片触点，被材料做成的簧片触点，被封装在充有惰性气体（如封装在充有惰性气体（如氮、氦等）或真空的玻璃氮、氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管内平行封装管里，玻璃管
10、内平行封装的簧片端部重叠，并留有的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭触点。成开关的常开或常闭触点。2. 2. 干簧管式叶轮风速传感器干簧管式叶轮风速传感器干簧管工作原理干簧管工作原理：当永久磁铁靠近干簧管或者有绕在干簧管的：当永久磁铁靠近干簧管或者有绕在干簧管的线圈通电形成的磁场使簧片磁化，簧片的接点部分就感应出线圈通电形成的磁场使簧片磁化，簧片的接点部分就感应出极极性相反的磁极性相反的磁极。异性相吸，当吸引力大于弹簧的弹力时，接点。异性相吸，当吸引力大于弹簧的弹力时，接点就会吸合；当磁力较小到一定程度时，接点被弹簧的弹力打开就会吸合；当磁力较小
11、到一定程度时，接点被弹簧的弹力打开特点：特点：由于干簧管的触点被密封在玻璃管内所以不受外界环境的影由于干簧管的触点被密封在玻璃管内所以不受外界环境的影响，工作非常稳定。响，工作非常稳定。用惰性贵金属铑（用惰性贵金属铑（RhRh）做成的触点熔点高，能减少电弧放电）做成的触点熔点高，能减少电弧放电对触点表面的损耗。铑触点硬度高，耐磨损，能维持更长的对触点表面的损耗。铑触点硬度高，耐磨损，能维持更长的工作寿命。工作寿命。簧片部分小型轻量，对于电气信号应答速度快。簧片部分小型轻量，对于电气信号应答速度快。利用永久磁铁能容易地控制簧片开关，是一种高性能低价格利用永久磁铁能容易地控制簧片开关，是一种高性能低价格的理想电子零部件。的理想电子零部件。2. 2. 干簧管式叶轮风速传感器干簧管式叶轮风速传感器 磁铁磁铁 干簧管干簧管 支架支架 叶轮叶轮
