测量风速实验装置

⑴ 气象站中有哪些气象仪器

气象站中有自动气象站、自动雨量站、风速风向仪、风向袋、百叶箱、温湿度记录仪、传感器等气象仪器。
1、自动气象站：可以通过专业配套的数据采集通讯线与计算机进行连接，将数据传输到气象计算机气象数据库中，用于统计分析和处理。
2、自动雨量站：自动雨量站是用于测量并记录各种雨量信息的综合观测仪器。
3、风速风向仪：风速风向仪是专为各种大型机械设备研制开发的大型智能风速传感报警设备。
4、风向袋：带灯风向袋用于指示风向、提供风速参考。由布质防水风向袋、优质不锈钢轴承风动系统、不锈钢风杆等三个部分组成。
5、百叶箱：百叶箱是用来放置测定空气温度和湿度仪器的木箱。
6、温湿度记录仪：广泛应用于仓储、物流冷链的各个环节，如冷藏集装箱、冷藏车、冷藏包、冷库、实验室等。
7、传感器：传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。

⑵ 风速仪的测量方法有那些呢

风速探头为敏感部件，当一恒定电流流过其加热线圈时，其敏感部件内，温度升高并于静止空气中达到一定数值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生之基准反电势互相抵消，使输出信号为零，仪表指针也相应指于零点。若风速探头端部的热敏感部件暴露于空气流中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量指示仪表系统放大并推动电表，由指针示值即可读出被测风速大小。
热敏风速仪

(1)将仪器水平放好，使直键开关处于原位(向上)。

(2)调节电表机械零点，使表针指于零位。

(3)将探头测杆垂直向上放置，使其热敏感部件全部按入测杆管内，并将风速探头之插头插入“探头”插座。

(4)按下“电源”直键(左起第一)调节“放大器调零”，电位器使指针指于零点。

(5)按下“1m/s”直键开关(左起第二)调节“零点调节”电位器使指针指于零点。

(6)预热十分钟，并重复上述步骤，方可进行测量。

(7)低风速段(0.05～1m/s)经预热，校准后，可将风速探头测杆端部热敏感部件拉出，使其暴露于被测气流中，注意使测杆垂直，并使其有顶丝一面对准气流吹来方向(如图3)所示，即可由电表指标值读取风速。

(8)高风速段(1m/s～30m/s) (1m/s～10m/s) 风速超过lm/s，按下“30m/s”“10m/s”，直键开关(左起第三)即可读数。(此时按键全部处于按下状态)。

(9)使用完毕应将直键开关所有键从左至右依次复位。风速探头热敏感部件测杆拉出部分全部按入测杆管内，并拨下插头放入仪器盒原位置。

(10)电池安装;

使用机内电池，安装时必须注意极性不能放错。

使用外接电源供电时，需注意插头联线与插接均应正确无误，电源电压应符合4.5V～6V要求

实验数据

测试者根据实际风速测量情况，选择低速或高速调节按钮，并至少测试三次以上，剔除其中粗大数据，取平均值为最后风速数值。

⑶ 风洞测试仪器的气流速度测量

主要有皮托-静压管、热线风速仪和激光多普勒测速仪。
皮托-静压管
测量气流速度最常用的仪器,是由皮托管演变而来的。皮托管是一根圆柱形管子，一端开口，另一端连在压力计上，用以测量气流总压。这种管子是H.皮托在1872年用来测量河流的水深和流速关系的。皮托-静压管除了象皮托管一样，可以感受气流总压外,还可同时测量气流静压。图5是低亚声速时使用的一根典型的皮托- 静压管结构示意图。它有内管和外管。内管测量总压。静压孔开在外管上同头部有一定距离处。根据伯努利方程（见伯努利定理）由总压孔和静压孔测得的压差经过换算即可得到流速。它可用于从1～2米/秒到临界速度以下范围内的速度测量。这种管子的前端多为半球形，总压孔在轴线上，它对管子形状不敏感。静压孔则受端头和后面的支杆影响很大。由于两者的影响相反，只要精心设计就可以减小这种影响。为减少气流方向偏斜的影响，有时可沿圆周方向开多个静压孔。为了避免设计和加工引起的误差，在使用前要进行校正。


图5 皮托－静压管示意图
热线风速仪
依据非电量电测法的原理测量气流速度、温度和密度的仪器，已有70多年的使用历史。它的传感器（俗称探头）是一条长度远大于直径的细金属丝，简称热丝,或是一片厚度非常薄的金属膜,简称热膜。测量时，将此热丝或热膜置于待测气流中，同时又连接于电桥的一臂，用电流加热，使热丝或热膜本身温度高于待测气流介质的温度。气流状态变化，引起热丝或热膜与气流介质之间的热传递发生变化，从而使热丝或热膜两端的电压发生变化，由此可测得气流的速度、温度或密度的平均值和瞬时值。热线风速仪的电路有两种类型：一是维持热线温度不变的恒温式；一是维持热线电流不变的恒流式。热线两端的电压变化一般经放大、补偿后才进行测量。从前测得的电信号都是用电模拟法来处理。近年来，热线或热膜测得的电信号输入到电子计算机处理，使测量精度更高，因而应用范围更广。热丝直径仅有1～5微米;长度仅0.5～1毫米。热膜厚度仅为5～10纳米。热丝材料为铂或钨，或含铑的铂铑合金丝，或包银的渥拉斯顿丝。热膜材料多是铂或镍，有时还在上面喷镀一层2～5微米的石英，以便用于导电液体中的测量。
激光多普勒测速计
利用光的多普勒频移效应，用激光作光源，测量气体、液体、固体速度的一种装置。1842年奥地利物理学家C.多普勒发现了声波的多普勒效应。1905年A.爱因斯坦在狭义相对论中指出，多普勒效应也能在光波中发生。光照射到运动的粒子上发生散射时，散射光的频率相对入射光的频率发生变化。频率的偏移量与运动粒子的速度成正比。当流场中散射粒子的直径与入射光的波长为同一量级，且散射粒子的重量与周围流场粒子重量相近时，散射粒子的运动速度基本上代表流场的局部流速。美国Y.耶和H.卡明斯于1964年第一次报道利用激光多普勒频移效应进行流体速度测量。
激光多普勒测速计包括光学系统和信号处理系统。光学系统将激光束照射到跟随流体运动的粒子上，并使被测点（体积）的散射光会聚进入光电接收器。按接受散射光的方式光学系统可分为前向散射型、后向散射型和混合散射型。按光学结构可分为参考光型、双散射型、条纹型和偏振光型。图6为前向双散射型原理图。 光电接收器（光电倍增管、硅光二极管等）接收随时间变化的两束散射光波，经混频后输出信号的频率是两部分光波的频率差，与流速成正比。采用信号处理系统把反映流速的真正信息从各种噪声中检测出来,并转换成模拟量或数字量,作进一步处理或显示。常用的信号处理器有频率分析仪、频率跟踪器、计数式处理器等。从原理上讲，激光多普勒测速计是直接测量速度的唯一手段。在风洞实验中可用它测量局部速度、平均速度、湍流强度、速度脉动等，适用于研究激波和边界层的分离干扰区、旋翼速度场、有引射的边界层以及高温流等。测速仪器或装置的测速范围从0.05厘米/秒到2000米/秒。测量高速时受光电器件频率响应范围的限制。实验中，有时需要用专门的粒子播发装置把不同大小的粒子掺入气流中。由于散射粒子惯性等的影响，粒子运动速度滞后于流体，因而测速精度较低，湍流度高时精度更低。

图6 激光多普勒测速计(前向双散射型)原理图
巡回检测装置
按一定次序或随机采集多个电压或电流信号（称为模拟量），并把这些模拟量转化为二进制或十进制数字量的装置（简称检测装置）。
巡回检测装置的输入模拟量由受感转换器件（如传感器、测力天平等）通过传输线送入，它的输出数字量送入计算机处理或其他记录设备（如打印机、穿孔机、磁带等）记录。它在风洞测试系统中的位置见图7。巡回检测装置一般由采样器、数据放大器、模数转换器、滤波器、显示器、接口和控制器等部件组成（图8）。采样器是一个通过程序控制的电子或机械开关，能以周期性的时间间隔或任意时间间隔采集某一连续变量值。采样器由采样开关、通道计数器、通道译码器、循环次数计数器、时钟等部件组成。采样器的工作速度，从每秒几十次到每秒几万次。数据放大器是放大输入信号的部件,一般能把几毫伏信号放大成几伏,然后送入模数转换器，还能抑制干扰信号并从中拾取有用信号。模数转换器 (A/D)可将被测电压模拟量（连续）转换为数字量（离散）。它的种类很多，最常用的一种叫反馈比较型模数转换器，由比较器、模数转换器（有解码开关、电阻网络、数码寄存器）、节拍产生器、转换控制器、基准电压源、脉冲源等组成。 滤波器的作用是滤去信号源中无用信号。由电阻电容或电感电容组成的滤波器称无源滤波器；由电阻电容和放大器组成的滤波器称有源滤波器；由计算机进行处理而消除干扰信号的称数字滤波器。显示器是显示测量参数的部件，由选点显示开关、二进制变成十进制的运算器、译码器和数码管组成。接口是两个不同设备互联时的交接部分。检测装置中所有部件间的信息传递和相互协调都由控制器完成。

图7 巡回检测装置在风洞测试系统中的位置

图8 巡回检测装置方框图