阅读说明：本技术 一种风速风向同步检测装置与方法 (Device and method for synchronously detecting wind speed and wind direction ) 是由 郑永军 杨圣慧 徐海东 江世界 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种风速风向同步检测装置,包括：感应装置和数据采集电路；所述感应装置包括：轻质球、三根碳纤维杆、三个支座、三角底座和高锰钢弹性片；三根碳纤维杆的一端均匀安装在轻质球上,另一端分别安装在三个支座上；每个支座下端安装有一个高锰钢弹性片；所述数据采集电路包括：四片应变片组成的惠斯通半桥电路、差动放大器和模拟信号采集卡；每组惠斯通半桥电路的输出端与差动放大器的输入端进行连接；模拟信号采集卡的输入端与差动放大器的输出端进行连接。本发明能对喷施作业环境的风速风向进行点位检测,能对无人机悬停或飞掠时风场的风速风向进行同步点位检测,能直观显示待测位置的风速风向,复原该待测位置的实际风场变化。(The invention relates to a synchronous detection device for wind speed and wind direction, comprising: sensing devices and data acquisition circuits; the sensing device includes: the device comprises a light ball, three carbon fiber rods, three supports, a triangular base and a high manganese steel elastic sheet; one ends of the three carbon fiber rods are uniformly arranged on the light ball, and the other ends of the three carbon fiber rods are respectively arranged on the three supports; the lower end of each support is provided with a high manganese steel elastic sheet; the data acquisition circuit includes: the system comprises a Wheatstone half-bridge circuit, a differential amplifier and an analog signal acquisition card, wherein the Wheatstone half-bridge circuit consists of four strain gauges; the output end of each group of Wheatstone half-bridge circuits is connected with the input end of the differential amplifier; the input end of the analog signal acquisition card is connected with the output end of the differential amplifier. The invention can carry out point location detection on the wind speed and the wind direction in the spraying operation environment, can carry out synchronous point location detection on the wind speed and the wind direction of the wind field when the unmanned aerial vehicle hovers or flies, can visually display the wind speed and the wind direction of the position to be detected, and recovers the actual wind field change of the position to be detected.)

一种风速风向同步检测装置与方法

技术领域

本发明涉及计算机测控技术应用与农业航空技术应用领域，特别是涉及一种风速风向同步检测装置与方法。

背景技术

现有的地面与航空施药作业已在农业生产中广泛使用，不仅适用于大作物，而且对丘陵山区、草场等都可以获得很好的经济效果。在实际施药作业中，影响施药效果的因素主要有2个：一是风速与风向，二是喷雾系统的结构与喷施参数。许多研究表明，对于同一套喷雾系统，雾滴的沉积和漂移与风速和风向的变化存在显著的正相关。因此，形成风速与风向的检测方法，是农业施药作业的必要基础支撑，具有实际意义。

目前风速与风向的检测大多采用异步的方法，即分别选用风速传感器与风向传感器，组成微型气象单元进行测量。常用的风速传感器为机械式风速仪(如叶轮式、三杯式)和热敏式风速仪，常用的风向传感器为风向标式风速仪。这类微型气象单元由于占有一定的体积，所测得的风速风向结果实际是一定空间内二者变化的平均值，对于较小体积空间内的风速风向变化测量不具优势，且两种传感器异步测量的数据须利用后续算法进行时间对齐，二次开发比较繁杂。现阶段，超声波测风仪可实现风速与风向的同步测量，但是价格偏高、响应时间较长、对风向的测量误差较大，在价格与测量精度方面仍需进一步优化。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种风速风向同步检测的方法与装置。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种风速风向同步检测装置，包括：感应装置和数据采集电路。

所述感应装置包括：轻质球1、三根碳纤维杆3、三个支座4、三角底座5和高锰钢弹性片6；三根碳纤维杆3的一端均匀安装在轻质球1上，另一端分别安装在三个支座4上；每个支座4下端安装有一个高锰钢弹性片6；

所述数据采集电路包括：4片应变片7组成的惠斯通半桥电路、差动放大器8和模拟信号采集卡9；每个高锰钢弹性片6中心处两侧对称贴应变片7，每一侧采用上下贴应变片的方式，其中上方的两个应变片作为应变敏感片，下方的两个应变片作为温度补偿片，连接形成一组惠斯通半桥电路；每组惠斯通半桥电路的输出端与差动放大器8的输入端进行连接；模拟信号采集卡9的输入端与差动放大器8的输出端进行连接。

模拟信号采集卡9的输出端通过USB与计算机连接。

所述的轻质球1上粘有3个2mm深的插口2，插口成等角三角形分布，三根碳纤维杆3的一端插入插口2，从而与轻质球1连接。

所述的支座4包括竖直板与2mm深的斜插口，采用3D一体化打印，斜插口与水平面成60°，碳纤维杆3的另一端插入斜插口，从而与支座4连接。

所述的碳纤维杆3的长度为50mm。

所述的三角底座5采用碳纤维材料。

所述的高锰钢弹性片6采用200mm×20mm×0.2mm的65Mn弹簧钢。

所述的应变片7采用半导体式应变片，每片阻值为350欧姆。

所述的碳纤维杆3的两端，分别插入插口2和支座4的斜插口进行连接。

所述的高锰钢弹性片6通过螺栓与螺母与三角底座5进行连接，通过插入支座4的竖直板与支座4进行连接。

所述的应变片7通过粘贴在高锰钢弹性片6两侧的中部，与高锰钢弹性片6进行连接。

3组惠斯通半桥电路，以5伏直流电压为激励电压，每组惠斯通半桥电路的输出端与差动放大器8的输入端进行连接。所述的模拟信号采集卡9的输入端与差动放大器8的输出端进行连接，所述的模拟信号采集卡9的输出端通过USB与计算机连接。

在上述技术方案的基础上，当风吹过所述的轻质球1时，球所受的力将分别沿碳纤维杆3转化为高锰钢弹性片6的形变，导致应变片7产生应变，形成惠斯通半桥电路的电压信号的变化，包括电压信号的大小与正负。利用惠斯通半桥电路原理和应变与力的关系，将电压信号变化量的大小转化为高锰钢弹性片6的待测力大小，将电压信号变化量的正负做为高锰钢弹性片6的待测力方向。

在上述技术方案的基础上，可分别测得3根碳纤维杆的受力的大小与力沿杆的方向，基于斯托克斯定律建立球受力与风速的函数关系，可分别计算得出3根碳纤维杆测得的风速大小与方向。

在上述技术方案的基础上，利用笛卡尔坐标系的几何位置关系，通过空间矢量合成，可得出风速的空间大小与总体方向，达到风速风向同时检测的目的。

一种风速风向同步检测的方法，应用上述风速风向同步检测装置，包括以下步骤：

步骤1、将所述的风速风向同步检测装置静置于待测位置，放置时使得三角底座5与地面平行；

步骤2、给定惠斯通半桥电路的工作电压、差动放大器与模拟信号采集卡的工作电压，打开计算机，开启待测风源，风速风向同步检测装置通过3组惠斯通半桥电路测量3根碳纤维杆的受力的大小与力沿杆的方向，得到待测风源的风速风向空间数据，并传输到计算机，计算机对数据进行记录；

步骤3、处理数据，利用速度变化图对风速与风向进行显示。

本发明的有益效果：本发明能对喷施作业环境的风速风向进行点位检测，能对无人机悬停或飞掠时风场的风速风向进行同步点位检测，能直观显示待测位置的风速风向，复原该待测位置的实际风场变化。本发明以计算机作为数据的分析和处理设备，可分析和存储所有实验数据，结构简单，重复性好，精度较高，工作成本低，能应用在植保环境监测和无人机风场测试与结构调整优化实验中。

附图说明

本发明有如下附图：

图1：本发明的装置组成示意图；

图2：支座4的结构示意图；

图3：数据采集电路示意图；

图4：无人机飞掠前后的风速变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

附图1为本发明的装置组成示意图。附图2展示了应变片的贴片位置示意图，在3片高锰钢弹性片6的中心处，每片高锰钢弹性片的两侧采取对称贴应变片7的方式，每一侧采用上下贴应变片的方式，其中R₁、R₃作为应变敏感片，R₂、R₄作为温度补偿片，连接形成1组惠斯通半桥电路，3片高锰钢弹性片6上的应变片最终得到3组惠斯通半桥电路。所述的应变片采用基底尺寸6mm×4mm的350欧姆半导体式应变片；所述的高锰钢弹性片采用200mm×20mm×0.2mm的65锰弹簧钢片；所述的差动放大器8采用AD620差分电压放大模块；所述的模拟信号采集卡9采用USB3200N模拟采集卡。将3组惠斯通半桥电路的输出端与差动放大器8的输入端连接，模拟信号采集卡9的输入端与差动放大器8的输出端进行连接，模拟信号采集卡9的输出端通过USB与计算机连接，形成图3所示的采集电路，其中惠斯通半桥电路的工作电压U为5伏，差动放大器与模拟信号采集卡的工作电压Vcc为12伏。

在放置时，须保证三脚底板与地面的平行。采用计算机(可使用笔记本电脑)记录风速风向数据并绘制速度变化图。

下面的实例是在不同情况下对以上所述过程的试验验证。

实例：无人机飞掠风场的风速风向检测

试验目的：验证方法的有效性，检测装置是否运行良好。

试验方法：使用所述的检测方法与装置，在无人机固定飞行高度与飞行速度下采集飞行航线中心的风速风向数据，检测方法是否可行，是否能获得结果。

试验材料：所述的风速风向同步检测装置1套、计算机1台。

试验设计：在实验中，采用韦加JF01-10六旋翼植保无人机，按常用施药作业参数设置飞行速度为4m/s、飞行高度为4m；检测装置放置于无人机飞行航线中心，距离起航点10m远。具体测试过程为：

(1)将所述的风速风向同步检测装置静置于待测位置；

(2)接通风速风向同步检测装置电源，打开计算机；

(3)启动无人机，使无人机按照既定航线飞行掠过待测位置正上方，风速风向同步检测装置对风速风向数据进行检测，计算机对数据进行记录；

(4)处理数据，得出速度变化图。

试验结果：图4为六旋翼植保无人机飞掠前后的风速变化图。结果显示，在无人机飞掠的0—20秒内，待测位置的风速呈现出明显的先增大后减小的趋势，最大风速可达约5m/s，风向主要分布在无人机飞掠方向的后下方，少部分风向指向无人机运动方向的两侧。运用此方法，能够直观反映风速风向的变化，可以获得风速大小，能够成功得到本试验中所需指标。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。