風言風語之三——測風技術（熱式風速傳感器）

風言風語之——測風技術

當前測風技術豐富多樣、風速傳感器品類繁多，其技術特點和應用形式也各有不同。但有關描述風特性的指標并不是很多，主要有：風速、風溫、風向、風壓等，暖通空調中的風量是基于以上參數的間接計算值。這里僅以最主要的指標——風速（空氣流速）作為參照指標，簡略概括一下常見的測風技術和傳感器儀器等。

NO1  機械式測風 ——主要指轉杯式或葉輪式測風。其原理是當風驅動扇葉或風杯使其旋轉，扇葉或風杯的轉速和風速呈現正比例關系。通過測量扇葉或風杯的旋轉來反映實際風速的大小。從信號轉換及采集角度，常通過測量電機速度、觸電開合速度、以及閃光速度來間接測量風速。

機械式測風優缺點：機械式測量優點在于，機構精簡便于操作，抗外界干擾能力強，經濟性好；缺點是采用機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致了測量精度和最大限值風速的測量不準確。此外這種測量方式對于突變風的靈敏度不高也是其缺點之一。比如啟動風速往往就需要0.5m/s以上，可測試下限范圍不理想，適合測試高風速。

NO2 比托管測風 ——利用特定的結構，將風總壓（動壓+靜壓）和靜壓分開，產生壓差對應風速。皮托管的構造頭部為半球形，后為一雙層套管。對于不可壓縮流動，根據伯努利方程和能量方程可求出氣流馬赫數，進而再求速度。

缺點：皮托管很難精確測試低于2m/s和超聲范圍的風速；同時壓差與大氣壓、溫度緊密相關，必須實時測試風溫和氣壓進行修正才能相對準確。

NO3  超聲波測風 ——加載一個超聲波機械能，空氣為載體，流速和波傳播速度疊加產生對于關系。基本原理是根據聲波信號在介質中傳播與氣體流動的關系來實現測量的。速度差不能直接測量，一般轉換成超聲波在順風和逆風路徑上傳播的時間差。

優缺點：優點采用非接觸式測量，不干擾風場，無壓力損失；不存在機械磨損；可捕捉瞬時的風速微小變化，不要求啟動風速。缺點，對安裝要求十分嚴格；其次，結構較為復雜，故障排除較困難，所以對安裝地點環境的要求較高。

NO4  熱式傳感技術 ——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）其散熱速率和風速對應函數關系。從結構形式可分為熱線、熱球、熱膜式等。

風溫測試：基于以上的基本原理可知，影響熱平衡的除了風速外界因素，還有當前的環境溫度。即環境溫度和風速的不同組合都會使得感風器件產生一樣的電信號。這樣，就必須知道當前溫度值，計算出環境溫度引起的散熱變化量，才能準確計算風速引起的散熱變化，實現風速的測試。

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，從而將頻率信號轉化為強度信號，根據信號強度可以得到多普勒頻移信息。

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

正視差距，砥礪前行

測風傳感器及儀器同其它科學儀器一樣，和發達國家相比，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，也很復雜，有歷史原因、戰略失策、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遇：

1964，哥倫比亞大學將頻移用于測速，提出人實為留美華人葉寅，其父葉楷也是清華大學教授。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，清華大學與寧夏銀河儀表廠正式合作開發多普勒測速儀，1975年6月，正式樣機研制成功，并生產了5臺成品。

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

丹麥多普勒測試儀樣機

現存于清華大學校內博物館的多普勒測試儀樣機

探究主流測風技術的演進與產品的迭代發展，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，無疑是一種強勁的激勵，更是深刻的警示。知曉差距與不足后，激發出奮進的勇氣，本土科儀人正以堅定的步伐，全力開拓一條特色的發展之路，在這條充滿挑戰的征程中，持續磨礪，勇往直前，絕不停歇！

熱式風速傳感器：全向型/定向型，高精度風速傳感器