風(fēng)速傳感器是一種可以連續(xù)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)量（風(fēng)量=風(fēng)速x橫截面積）大小的常見傳感器。風(fēng)速傳感器大體上分為機(jī)械式（主要有螺旋槳式、風(fēng)杯式）風(fēng)速傳感器、熱風(fēng)式風(fēng)速傳感器、皮托管風(fēng)速傳感器和基于聲學(xué)原理的超聲波風(fēng)速傳感器。關(guān)于每種傳感器的工作原理，我們來(lái)一一了解一下。

一、螺旋槳式風(fēng)速傳感器工作原理

我們知道電扇由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，在葉片前后產(chǎn)生一個(gè)壓力差，推動(dòng)氣流流動(dòng)。螺旋漿式風(fēng)速計(jì)的工作原理恰好與此相反，對(duì)準(zhǔn)氣流的葉片系統(tǒng)受到風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生一定的扭力矩使葉片系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。通常螺旋槳式速傳感器通過(guò)一組三葉或四葉螺旋槳繞水平軸旋轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量風(fēng)速，螺旋槳一般裝在一個(gè)風(fēng)標(biāo)的前部，使其旋轉(zhuǎn)平面始終正對(duì)風(fēng)的來(lái)向，它的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速。

二、風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器工作原理

風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，又稱三杯式風(fēng)速傳感器，是一種十分常見的風(fēng)速傳感器，最早由英國(guó)魯賓孫發(fā)明。感應(yīng)部分是由三個(gè)或四個(gè)圓錐形或半球形的空杯組成?？招谋瓪す潭ㄔ诨コ?20°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面順著一個(gè)方向排列，整個(gè)橫臂架則固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。

當(dāng)風(fēng)從左方吹來(lái)時(shí)，風(fēng)杯1與風(fēng)向平行，風(fēng)對(duì)風(fēng)杯1的壓力在最直于風(fēng)杯軸方向上的分力近似為零。風(fēng)杯2與3同風(fēng)向成60度角相交，對(duì)風(fēng)杯2而言，其凹面迎著風(fēng)，承受的風(fēng)壓最大;風(fēng)杯3其凸面迎風(fēng)，風(fēng)的繞流作用使其所受風(fēng)壓比風(fēng)杯2小，由于風(fēng)杯2與風(fēng)杯3垂直于風(fēng)杯軸方向上的壓力差，而使風(fēng)杯開始順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速越大，起始的壓力差越大，產(chǎn)生的加速度越大，風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)越快。

風(fēng)杯開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，由于杯2順著風(fēng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，受風(fēng)的壓力相對(duì)減小，而杯3迎著風(fēng)以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，所受風(fēng)壓相對(duì)增大，風(fēng)壓差不斷減小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后（風(fēng)速不變時(shí)），作用在三個(gè)風(fēng)杯上的分壓差為零時(shí)，風(fēng)杯就變作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣根據(jù)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速（每秒鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)）就可以確定風(fēng)速的大小。

當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)同軸的多齒截光盤或磁棒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電路得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實(shí)際風(fēng)速值。目前新型轉(zhuǎn)杯風(fēng)速表均是采用三杯的，并且錐形杯的性能比半球形的好，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)轉(zhuǎn)杯能迅速增加轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)氣流速度，風(fēng)速減小時(shí)，由于慣性影響，轉(zhuǎn)速卻不能立即下降，旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速表在陣性風(fēng)里指示的風(fēng)速一般是偏高的成為過(guò)高效應(yīng)（產(chǎn)生的平均誤差約為10%）

三、熱式風(fēng)速傳感器工作原理

熱式風(fēng)速傳感器以熱絲（鎢絲或鉑絲）?或是以熱膜（鉑或鉻制成薄膜）?為探頭，裸露在被測(cè)空氣，并將它接入惠斯頓電橋，通過(guò)惠斯頓電橋的電阻或電流的平衡關(guān)系，檢測(cè)出被測(cè)截面空氣的流速。熱膜式風(fēng)速傳感器的熱膜外涂有極薄的石英膜絕緣層，以便和流體絕緣，并可防止污染，可在帶有顆粒的氣流中工作，其強(qiáng)度比金屬熱線絲高。

當(dāng)空氣溫度穩(wěn)定不變時(shí)，熱絲上的耗電功率等于熱絲在空氣中瞬時(shí)耗去的熱量。熱絲電阻隨溫度而變化，熱線的電阻和熱線溫度在通常溫度范圍（0～300 ℃） 之內(nèi)，表現(xiàn)為線性關(guān)系。放熱系數(shù)與氣流速度有關(guān)，流速越大，對(duì)應(yīng)的放熱系數(shù)也越大，即散熱快；流速小，則散熱慢。

熱式風(fēng)速傳感器所測(cè)氣流速度是電流與電阻的函數(shù)。將電流（或電阻）?保持不變，所測(cè)氣流速度僅與電阻（或電流）?一一對(duì)應(yīng)。

熱線式風(fēng)速傳感器有恒流與恒溫兩種設(shè)計(jì)電路。恒溫式熱線風(fēng)速傳感器較為常用。恒溫法原理是測(cè)量過(guò)程中保持熱絲溫度恒定，使電橋平衡，此時(shí)熱絲電阻保持不變，氣流速度只是電流的單值函數(shù)，根據(jù)已知的氣流速度與電流的關(guān)系可求得通過(guò)末端裝置的氣流速度。恒流式熱線風(fēng)速傳感器在測(cè)量過(guò)程中保持流經(jīng)熱絲的電流值不變。當(dāng)電流值不變時(shí)，氣流速度僅僅與熱絲電阻有關(guān)。根據(jù)已知的氣流速度與熱絲電阻的關(guān)系可求得通過(guò)風(fēng)速傳感器的氣流速度。

熱線式風(fēng)速傳感器可測(cè)量脈動(dòng)風(fēng)速。恒流式風(fēng)速傳感器熱慣性較大，恒溫式風(fēng)速傳感器的熱慣性相對(duì)較小，具有較高的速度響應(yīng)。熱線式風(fēng)速傳感器的測(cè)量精度均不很高，?使用時(shí)要注意溫度補(bǔ)償。

四、皮托管風(fēng)速傳感器工作原理

皮托管，又名“空速管”，“風(fēng)速管”，是測(cè)量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置，由法國(guó)H.皮托發(fā)明而得名。

用實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)量氣流的速度比較困難，但氣流的壓力則可以用測(cè)壓計(jì)方便地測(cè)出。它主要是用來(lái)測(cè)量飛機(jī)速度的，同時(shí)還兼具其他多種功能。因此，可用皮托管測(cè)量壓力，再應(yīng)用伯努利定理算出氣流的速度。皮托管由一個(gè)圓頭的雙層套管組成（見圖），外套管直徑為D，在圓頭中心O處開一與內(nèi)套管相連的總壓孔，聯(lián)接測(cè)壓計(jì)的一頭，孔的直徑為0.3～0.6D。在外套管側(cè)表面距O約3～8D的C處沿周向均勻地開一排與外管壁垂直的靜壓孔，聯(lián)接測(cè)壓計(jì)另一頭，將皮托管安放在欲測(cè)速度的定常氣流中，使管軸與氣流的方向一致，管子前緣對(duì)著來(lái)流。當(dāng)氣流接近O點(diǎn)處，其流速逐漸減低，流至O點(diǎn)滯止為零。所以O(shè)點(diǎn)測(cè)出的是總壓P。其次，由于管子很細(xì)，C點(diǎn)距O點(diǎn)充分遠(yuǎn)，因此C點(diǎn)處的速度和壓力已經(jīng)基本上恢復(fù)到同來(lái)流速度V和壓力P相等的數(shù)值，因而在C點(diǎn)測(cè)出的是靜壓。對(duì)于低速流動(dòng)，由伯努利定理得確定流速的公式為：

根據(jù)測(cè)壓計(jì)測(cè)出的總壓和靜壓差P-P，以及流體的密 度ρ，可以按照公式求出氣流的速度。

五、超聲波風(fēng)速傳感器工作原理

超聲波風(fēng)速傳感器的工作原理是利用超聲波時(shí)差法來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測(cè)量。由于聲音在空氣中的傳播速度，會(huì)和風(fēng)向上的氣流速度疊加。假如超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，那么它的速度會(huì)加快；反之，若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相反，那么它的速度會(huì)變慢。所以，在固定的檢測(cè)條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風(fēng)速函數(shù)對(duì)應(yīng)。通過(guò)計(jì)算即可得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向。由于聲波在空氣中傳播時(shí)，它的速度受溫度的影響很大；風(fēng)速傳感器檢測(cè)兩個(gè)通道上的兩個(gè)相反方向，因此溫度對(duì)聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。

超聲波風(fēng)速傳感器它具有重量輕、沒有任何移動(dòng)部件、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，?而且不需維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，能同時(shí)輸出風(fēng)速和風(fēng)向?？蛻艨筛鶕?jù)需要選擇風(fēng)速單位、輸出頻率及輸出格式。也可根據(jù)需要選擇加熱裝置（在冰冷環(huán)境下推薦使用）或模擬輸出。可以與電腦、數(shù)據(jù)采集器或其它具有RS485或模擬輸出相符合的采集設(shè)備連用。如果需要，也可以多臺(tái)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行使用。

超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀是一種較為先進(jìn)的測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的儀器。由于它很好地克服了機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀固有的缺陷，?因而能全天候地、長(zhǎng)久地正常工作，越來(lái)越廣泛地得到使用。它將是機(jī)械式風(fēng)速儀的強(qiáng)有力替代品。

fqj