五要素氣象傳感器的風速采集原理

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　　五要素氣象傳感器的風速采集原理主要分為機械旋轉式與超聲波式兩類，不同原理適配不同環境與精度需求。機械旋轉式以風杯式設計為核心，傳感器頭部安裝三個對稱分布的輕質風杯，風杯材質多為工程塑料或鋁合金，重量輕且耐磨。當氣流推動風杯旋轉時，風杯軸帶動內部的磁鋼同步轉動，磁鋼下方的霍爾元件會周期性感應磁場變化，產生脈沖電信號。風速與脈沖信號頻率呈線性對應關系，例如某型號傳感器每旋轉 1 圈產生 10 個脈沖，通過計算單位時間(如 1 秒)內的脈沖數，結合風杯半徑、機械傳動比等參數，即可換算出實際風速。這種原理的測量范圍通常為 0.3-75m/s，分辨率 0.1m/s，啟動風速低至 0.3m/s，能捕捉微風環境，適合平原地區、農業園區等風速變化平緩的場景。但機械結構存在磨損問題，在沙塵、凍雨等環境下，風杯軸承易卡頓，需每 6-12 個月維護一次，清潔軸承并添加潤滑油。

　　超聲波式風速采集則無需機械部件，傳感器頭部安裝四組對稱的超聲波探頭，呈十字形分布。工作時，相對的兩組探頭交替發射與接收超聲波信號，例如 A 探頭發射、B 探頭接收，隨后 B 探頭發射、A 探頭接收。氣流流動會導致超聲波傳播時間變化：順風向傳播時時間縮短，逆風向傳播時時間延長，通過計算兩次傳播的時間差，結合超聲波在空氣中的傳播速度(受溫度影響，傳感器會實時補償)，即可根據公式 “風速 =(時間差 × 聲速)/(2× 探頭間距)" 計算出風速大小。同時，通過分析四組探頭的信號差異，可判斷風向，實現風速與風向的同步測量。超聲波式的測量范圍為 0-60m/s，精度 ±0.3m/s，無啟動風速限制，即使 0.1m/s 的微風也能準確捕捉，且無機械磨損，維護周期可延長至 2-3 年，適合沙漠、高原、沿海等惡劣環境。例如在新疆塔克拉瑪干沙漠監測中，機械風杯式傳感器易因沙塵堵塞軸承失效，而超聲波式傳感器可穩定工作，為風沙預警提供數據支持。