風(fēng)的觀測(cè)課件

風(fēng)的觀測(cè)風(fēng)向風(fēng)速儀風(fēng)速表和風(fēng)向標(biāo)微氣象觀測(cè)系統(tǒng)風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)螺旋漿式風(fēng)速風(fēng)向計(jì)三分量風(fēng)速儀大氣探測(cè)觀測(cè)站16M風(fēng)溫濕梯度塔全自動(dòng)資料采集系統(tǒng)太陽(yáng)輻射計(jì)溫、濕、風(fēng)、輻射觀測(cè)超聲湍流觀測(cè)系統(tǒng)溫濕度、地溫觀測(cè)系統(tǒng)近地層大氣多層風(fēng)、溫、濕與通量觀測(cè)超聲風(fēng)速儀＆8.1概述一、基本知識(shí)

1.風(fēng)：大氣相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的水平分量叫作風(fēng)。

2.風(fēng)速：?jiǎn)挝粫r(shí)間氣流運(yùn)動(dòng)距離叫做風(fēng)速。

3.風(fēng)向：風(fēng)的來(lái)向，共計(jì)16個(gè)方位。二、為什么測(cè)風(fēng)？三、測(cè)風(fēng)儀器

1.臺(tái)站：EL電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)、手持風(fēng)向風(fēng)速計(jì)、雷達(dá)測(cè)風(fēng)、氣球測(cè)風(fēng)；

2.研究：超聲風(fēng)速計(jì)、三軸風(fēng)速計(jì)、激光雷達(dá)、熱線風(fēng)速儀、氣球測(cè)風(fēng)；1、風(fēng)向的測(cè)量16個(gè)方位風(fēng)向用16方位表示與方位角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系風(fēng)速與風(fēng)力等級(jí)風(fēng)的測(cè)量中存在的問(wèn)題測(cè)風(fēng)儀器安裝：開闊、平坦距地面10米高度儀器磨損：定期檢定風(fēng)的脈動(dòng)：時(shí)間概念，峰值和統(tǒng)計(jì)量風(fēng)的平均：過(guò)高效應(yīng)；

0和360之間的切換風(fēng)向和風(fēng)速測(cè)量的匹配自動(dòng)站風(fēng)測(cè)量規(guī)范1分鐘和2分鐘平均風(fēng)（3秒鐘為步長(zhǎng)的滑動(dòng)平均）10分鐘平均風(fēng)（1分鐘為步長(zhǎng)的滑動(dòng)平均）1小時(shí)內(nèi)最大風(fēng)和出現(xiàn)時(shí)間（正點(diǎn)時(shí)從每分鐘的10分鐘平均風(fēng)速中選取最早出現(xiàn)的最大風(fēng)速和相應(yīng)的風(fēng)向）1小時(shí)內(nèi)極大風(fēng)和出現(xiàn)時(shí)間（正點(diǎn)時(shí)從3秒鐘平均風(fēng)速中選取最早出現(xiàn)的極大風(fēng)速和相應(yīng)的風(fēng)向）＆8.2風(fēng)向的測(cè)量原理§8.2.1.風(fēng)向標(biāo)及風(fēng)向測(cè)量風(fēng)向標(biāo)由指向桿、平衡重錘、旋轉(zhuǎn)軸和尾翼組成。增加靈敏度：減少軸摩擦、加大尾翼、加長(zhǎng)后桿。

對(duì)風(fēng)向標(biāo)的結(jié)構(gòu)和造型主要考慮：

1.靈敏性：有良好的起動(dòng)性能。

2.穩(wěn)定性：有良好的動(dòng)態(tài)性能，迅速跟蹤風(fēng)向變化?！?.2.2風(fēng)向標(biāo)的動(dòng)態(tài)特征當(dāng)風(fēng)向變動(dòng)時(shí)，風(fēng)向標(biāo)必須迅速作出反應(yīng)。假設(shè)風(fēng)向標(biāo)偏離風(fēng)向的角度為

，風(fēng)尾板上受到一個(gè)力為，力作用中心距旋轉(zhuǎn)軸的力臂為，則單位角度風(fēng)向所產(chǎn)生的扭力矩為：在風(fēng)力作用下，風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為：風(fēng)標(biāo)在線速度方向相對(duì)于空氣運(yùn)動(dòng)的速度為：

為平均風(fēng)速在線速度方向上的投影分量；產(chǎn)生的線速度（）。作用于風(fēng)標(biāo)上風(fēng)矢量的迎角為，而理論上應(yīng)為（8.2）應(yīng)用了當(dāng)β很小時(shí)，sinβ=tgβ=β，cosβ=1的假設(shè)。（8.1）（8.2）為在角速度得風(fēng)向標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方程：上式右邊第一項(xiàng)是氣流對(duì)風(fēng)標(biāo)施加的扭力矩，第二項(xiàng)是空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)風(fēng)標(biāo)的阻尼力矩。如果N,D為常數(shù)，得風(fēng)向標(biāo)運(yùn)動(dòng)的二階微分方程：式中（8.3）（8.4）其中：β0為t0時(shí)，風(fēng)向標(biāo)的偏離角；為風(fēng)向標(biāo)的阻尼諧振周期：(8.4)式的解為：振幅衰減項(xiàng)諧振運(yùn)動(dòng)項(xiàng)（8.6）（8.5）(8.6)式是一個(gè)典型的周期衰減振動(dòng)。如下圖所示。有關(guān)風(fēng)向標(biāo)動(dòng)態(tài)特征的幾個(gè)重要參數(shù)：

（8.7）3.阻尼比：風(fēng)標(biāo)阻尼D與臨界阻尼D0的比值推導(dǎo)：ξ=1，D=D0，臨界阻尼，迅速達(dá)到平衡；ξ>1，D>D0，過(guò)阻尼，緩慢達(dá)到平衡；ξ<1，D<D0，欠阻尼，在平衡處振動(dòng)。由:（8.9）（8.8）P.102(5.8)在實(shí)際工作中，應(yīng)用諧振周期td，無(wú)阻尼諧振周期t0不方便，定義一個(gè)時(shí)間尺度tL,認(rèn)為風(fēng)向標(biāo)經(jīng)過(guò)tL時(shí)間后,風(fēng)向標(biāo)偏離風(fēng)向的角度由原先t=0時(shí)的當(dāng)：時(shí)由不考慮振動(dòng)項(xiàng)則:（8.10）P.102（5.9）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，扭力矩N的表達(dá)式為：式中:為空氣密度;S為風(fēng)尾板有效面積;

為扭力矩系數(shù)(),為空氣動(dòng)力系數(shù);

為流體的動(dòng)壓;1、風(fēng)程t0為無(wú)阻尼風(fēng)標(biāo)的固有周期;Ut0為單位時(shí)間t，風(fēng)標(biāo)振動(dòng)一次，氣流所走距離(風(fēng)程).由(8.7)式和(8.11)式得,t=0時(shí)的風(fēng)程:（8.11）（8.12）P.102（5.11）2、阻尼比（8.13）P.102（5.12）3、（8.14）P.102（5.13）§8.2.3風(fēng)向標(biāo)平衡重錘對(duì)風(fēng)向標(biāo)動(dòng)態(tài)特性的影響由于平衡錘的運(yùn)動(dòng)方向與其空氣動(dòng)力矩相反，則有由于指向桿和平衡錘的受風(fēng)面積很小，相對(duì)于風(fēng)尾板所受的扭力矩NW的作用可忽略不計(jì)。但是它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量必須考慮。風(fēng)標(biāo)系統(tǒng)對(duì)主軸的支點(diǎn)重力矩是平衡的，即從描述風(fēng)向標(biāo)動(dòng)態(tài)特性的三個(gè)重要參數(shù)的（8.12)、(8.13)和(8.14)式中可看出都有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。因而，風(fēng)向標(biāo)的平衡錘必然影響風(fēng)向標(biāo)的動(dòng)態(tài)特性。假設(shè)平衡錘在氣流中也要受到一個(gè)扭力矩NW，整個(gè)風(fēng)標(biāo)系統(tǒng)受到的總扭力矩為NT=N-NW（因平衡錘紐力矩方向與風(fēng)標(biāo)扭力矩方向相反）那么，整個(gè)平衡系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則可寫作

設(shè)：為風(fēng)尾單位面積的重量。并令下述因子為風(fēng)向標(biāo)質(zhì)量因子：（8.15）P.103（5.14）因而，（8.15）式可寫為（8.16）（8.17）P.103（5.15）P.103（5.16）

將(8.17)代入(8.12)、(8.13)和(8.14)式，風(fēng)向標(biāo)的幾個(gè)主要?jiǎng)討B(tài)特性參數(shù)改寫為：t=t0時(shí)的風(fēng)程：阻尼比：t=tL時(shí)的風(fēng)程：（8.18）P.103（5.17）P.103（5.18）P.103（5.19）（8.19）（8.20）希望風(fēng)標(biāo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤風(fēng)向變動(dòng)的性能要好，即的值較小，關(guān)鍵在于有數(shù)值較大的質(zhì)量因子，從式（8.16）可分析得到：1、值較大，即氣流動(dòng)壓能有效作用到風(fēng)尾板上；2、值較小，單位面積風(fēng)尾板的質(zhì)量小。意味著在制造風(fēng)尾板時(shí)，必須選用強(qiáng)度高、比重小的材料；3、<

因此，平衡錘離風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的距離盡量縮小。

§8.2.4風(fēng)向連續(xù)變動(dòng)環(huán)境的風(fēng)向標(biāo)動(dòng)態(tài)響應(yīng)或：式中ω0=2π/t0為風(fēng)向標(biāo)的無(wú)阻尼諧振頻率；外力函數(shù)。在方程中，如果我們把，即無(wú)外力，該方程將有三種特解，具體形式由它是過(guò)阻尼ξ>1，臨界阻尼ξ=1，欠阻尼ξ<1決定。實(shí)驗(yàn)證明，ξ=0.6時(shí)響應(yīng)最佳。實(shí)際上大氣環(huán)境中的風(fēng)向是在持續(xù)不斷地變動(dòng)?？紤]一個(gè)最簡(jiǎn)單的情況，假設(shè)風(fēng)向維持一個(gè)振幅為A，角頻率為

的周期性振動(dòng)，公式（8.3）變?yōu)椋海?.21）（8.22）（8.21,8.22）假定邊界條件是：t=0時(shí)，β=β0，dβ/dt=0當(dāng)ξ>1時(shí)：當(dāng)ξ=1時(shí)：當(dāng)ξ<1時(shí)：（8.23）（8.24）（8.25）ω為觀測(cè)的角頻率，實(shí)際頻率的2π倍，代入(5.25)式,則有：（5.27）（8.28）因?yàn)榉匠蹋┟枋龅氖且粋€(gè)以為周期的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以，相鄰兩個(gè)最大值之比可表示為：（8.28）（8.29）（5.26）它的解可以表示為通解與特解之和,即：其中：當(dāng)二階微分方程有一個(gè)外力函數(shù)作用其上時(shí),即：（8.30）（8.31）（8.32）當(dāng)ξ<1時(shí)，第一二項(xiàng)可以忽略，得：其中：是放大率當(dāng)：G>1時(shí)，風(fēng)向標(biāo)指示振幅大于實(shí)際振幅;G<1時(shí)，風(fēng)向標(biāo)指示振幅小于實(shí)際振幅.（8.33）（8.34）當(dāng)ω=ω0，阻尼比ξ很小時(shí)，易于發(fā)生共振.G與風(fēng)標(biāo)特性參數(shù)的關(guān)系見P105頁(yè)圖5.6所示,由圖表明

1.在ω/ω0=1，ξ<0.4，G=1/(2)>1時(shí)，風(fēng)向標(biāo)發(fā)生共振;2.在ω/ω0<0.8，ξ=0.6，G=1時(shí)，與實(shí)際風(fēng)向標(biāo)振幅接近,最佳響應(yīng);3.在ω/ω0>1，ξ>1，G<1時(shí)，風(fēng)向標(biāo)振幅小于實(shí)際風(fēng)向振幅.§8.2.5風(fēng)向標(biāo)動(dòng)態(tài)參數(shù)的選擇一個(gè)性能良好的風(fēng)向標(biāo)應(yīng)能準(zhǔn)確地反應(yīng)連續(xù)變化的風(fēng)向.另外,為了使風(fēng)向資料具有可比較性,世界氣象組織原則上作了如下規(guī)定:在風(fēng)速為2.58米/秒時(shí),風(fēng)向標(biāo)應(yīng)在1s內(nèi)使風(fēng)向偏差衰減到1/e,即由8.20式質(zhì)量因子取2.阻尼比取:0.3<ξ<1.0;3.風(fēng)速工作范圍?。?.5~~60.0m/s;4.線性度和靈敏度取:±2~~±5.

在更精確的測(cè)量中,對(duì)上述指標(biāo)要求更高,例如Kv>1.75.＆8.3旋轉(zhuǎn)風(fēng)速計(jì)原理2004/11/22§8.3.1測(cè)風(fēng)速儀器原理概述1.蝸桿風(fēng)速表(齒輪轉(zhuǎn)速∝風(fēng)速的關(guān)系);2.電感式(電感、電壓∝風(fēng)速的關(guān)系）;3.光電式（光電頻率∝風(fēng)速的關(guān)系）;4.懸浮式（光電頻率∝風(fēng)速的關(guān)系）;5.超聲風(fēng)速儀（接收聲波時(shí)間∝與風(fēng)速的關(guān)系）＆8.3旋轉(zhuǎn)風(fēng)速計(jì)原理§8.3.2旋轉(zhuǎn)風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)的感應(yīng)原理旋轉(zhuǎn)風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)是風(fēng)速測(cè)量的最常用的儀器.它的感應(yīng)部分是一個(gè)固定在旋轉(zhuǎn)軸上的感應(yīng)部件.一般由三個(gè)半球型的空心杯殼組成,杯殼固定在互成120度的支架上,杯的凹面順著一個(gè)方向排列,支架固定在垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。在穩(wěn)定的風(fēng)力作用下,風(fēng)杯受到扭力矩而開始旋轉(zhuǎn),它的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成一定關(guān)系。設(shè)：風(fēng)速為u，第i個(gè)風(fēng)杯與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度urin：風(fēng)杯每秒轉(zhuǎn)數(shù);R：旋轉(zhuǎn)半徑θi：氣流與杯內(nèi)法線夾角.單位時(shí)間氣流對(duì)風(fēng)杯作用的有效質(zhì)量：

A：風(fēng)杯橫切面積Cn(θi)：風(fēng)杯為θi的壓力系數(shù)作用于互成120°三個(gè)風(fēng)杯上的風(fēng)壓力為：（8.35）其中風(fēng)杯的壓力系數(shù);為風(fēng)杯的阻力系數(shù);

為空氣密度.在風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)時(shí),它所受到的風(fēng)壓隨風(fēng)杯所處的角度而變化,但每轉(zhuǎn)過(guò)120°則恢復(fù)到0°時(shí)的狀態(tài).如果取0°－120°范圍內(nèi)風(fēng)壓的平均值,(8.35)式就可以簡(jiǎn)化為;取am,bm為和在變化120°時(shí)均值。在風(fēng)壓下，組件受到的扭力矩：（8.36）（8.37）當(dāng)風(fēng)速恒定時(shí),風(fēng)杯組件的轉(zhuǎn)速應(yīng)為某個(gè)固定數(shù)值。此時(shí),組件所受合力為零,即扭力矩M正好與它的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)摩擦力矩B1n以及靜摩擦B0相抵消。（8.38）（8.39）當(dāng)摩擦阻力矩很小可忽略不計(jì)時(shí),上式可簡(jiǎn)化為：當(dāng)(8.39)式中n=0時(shí)，(非u=0)，則：umin為風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)的啟動(dòng)風(fēng)速（風(fēng)杯風(fēng)速儀的檢定曲線）。從(8.41)式可看出,起動(dòng)風(fēng)速取決于靜摩擦力矩B0和扭力矩N。所以,高靈敏度低啟動(dòng)風(fēng)速的風(fēng)杯風(fēng)速計(jì),一般采用低靜摩擦的懸浮式。雖然增大扭力矩也能減小umin

但增大N,勢(shì)必增大風(fēng)杯的橫臂長(zhǎng)度和質(zhì)量。（8.40）對(duì)某一風(fēng)杯風(fēng)速計(jì),扭力矩N和空氣動(dòng)力阻尼D一定,風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比關(guān)系。（8.41）§8.3.3風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)的慣性響應(yīng)過(guò)程中風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為：其中：n1：實(shí)際轉(zhuǎn)速;n(t)：環(huán)境實(shí)際風(fēng)速計(jì)轉(zhuǎn)速。T為風(fēng)速計(jì)的時(shí)間常數(shù);L為尺度常數(shù);時(shí)間常數(shù)越小越好,即風(fēng)速越能及時(shí)反應(yīng)實(shí)際環(huán)境風(fēng)速.(8.43)式與溫度計(jì)的散熱方程很相似。轉(zhuǎn)動(dòng)扭力矩動(dòng)摩擦力矩靜摩擦力矩扭力矩空氣阻尼力矩整理后的:（8.42）（8.43）＆8.4散熱式風(fēng)速計(jì)原理一、旁熱式熱線風(fēng)速計(jì)（結(jié)構(gòu)圖示）其中：Rt為加熱后金屬絲阻值；t為金屬絲溫度；

Rθ為金屬絲在環(huán)境溫度下阻值；θ：環(huán)境溫度。

被加熱的金屬絲在氣流中散熱，它的散熱率與風(fēng)速的大小有密切的關(guān)系，利用這一特性可制成測(cè)量風(fēng)速的儀器。

假若以一定電功率的電流連續(xù)加熱金屬絲，熱絲的溫度與氣溫存在一定的差值，差值的大小隨風(fēng)速的大小而異，利用熱絲的溫差電動(dòng)勢(shì)可測(cè)定風(fēng)速，利用這種原理制成的風(fēng)速儀稱作熱線風(fēng)速儀。熱線風(fēng)速儀有旁熱式和直熱式之分。焦?fàn)枱崾咕哂须娮柚档耐娏鹘饘俳z溫度升高，與此同時(shí)，金屬絲將通過(guò)它的表面向四周空氣散熱。電流提供的熱功率為：（8.44）在風(fēng)速v的氣流中，一根垂直于氣流的金屬絲的散熱率為：其中：A：分子散熱作用，Bv1/2：氣流作用，t-θ：熱線與氣溫的差。當(dāng)v較大時(shí)，可忽略分子散熱作用項(xiàng)A，且熱交換達(dá)到平衡時(shí)，則：由空氣動(dòng)力學(xué)原理，熱線在氣流中散熱率為：（8.45）（8.45）其中：其中：h為散熱系數(shù)；D為熱線直徑；l為熱線長(zhǎng)度；C和n為實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)（P.115，表5.2);

為空氣動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù)。（8.46）當(dāng)dQ1=dQ2時(shí)：由于測(cè)溫?zé)犭娕嫉碾妱?dòng)勢(shì)正比于冷熱端溫差，則，上式寫為：對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)：（8.47）（8.48）（8.49）（8.50）在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，縱軸為風(fēng)速取對(duì)數(shù)lgv，橫軸為電動(dòng)勢(shì)取對(duì)數(shù)lgεv即可得到熱線風(fēng)速儀的風(fēng)速與輸出電動(dòng)勢(shì)的線性關(guān)系。在1-2米/秒的風(fēng)速處出現(xiàn)折線，是因?yàn)槔字Z數(shù)Re在40左右不連續(xù)。旁熱式熱線風(fēng)速計(jì)檢定曲線圖示旁熱式熱線風(fēng)速計(jì)檢定應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：

1.檢定時(shí)和測(cè)量時(shí)的空氣密度校正（使用前進(jìn)行檢定）

ρv=ρ0vrv=vrρ0/ρ2.方向校正，熱線感應(yīng)的風(fēng)速u和環(huán)境實(shí)際風(fēng)速v的關(guān)系為：熱線越長(zhǎng)A值越小。（8.50）（8.51）二.直熱式熱線微風(fēng)儀：結(jié)構(gòu)示意圖

直熱式熱線風(fēng)速儀的感應(yīng)部分是一根直徑約為5-10m的鉑金屬絲，緊繃在支架上長(zhǎng)度約幾個(gè)至20mm。由于較大的電流流經(jīng)鉑絲，它的溫度要比環(huán)境空氣溫度高200-500℃。直熱式熱線風(fēng)速儀的鉑金屬絲，一絲兩用，它既用來(lái)感應(yīng)風(fēng)速，又以它的電阻值確定熱線的溫度，它的感應(yīng)方程為：（8.52）（8.53）（8.54）（8.55）超聲風(fēng)速儀＆8.5

聲學(xué)風(fēng)速儀原理超聲風(fēng)速儀：sonicanemometer聲波在大氣中傳播速度與空氣的溫度、風(fēng)速有關(guān)。靜止空氣中的聲速為Tsv：聲學(xué)絕對(duì)虛溫式中e為水汽壓；P為大氣壓力；氣溫20℃時(shí)，干空氣中聲速343.5m/s.

設(shè)d為超聲風(fēng)速儀的路經(jīng)長(zhǎng)度;v為風(fēng)速;t1為第一個(gè)發(fā)聲源到達(dá)接收端所需的時(shí)間;t2為第二個(gè)發(fā)聲源到達(dá)接收端的時(shí)間.只要求出t1和t2即可求出風(fēng)速。

（8.56）（8.57）由左圖，當(dāng)逆風(fēng)發(fā)射時(shí)，T1發(fā)射，R1接收：假設(shè)氣流速度為v的三個(gè)分量為vx、vy、vz，聲波從坐標(biāo)原點(diǎn)到達(dá)某一位相面（x,y,z)所需的時(shí)間為t時(shí)，則有：設(shè)y和z等于零，等位相面到達(dá)點(diǎn)(d1,0,0)和點(diǎn)(d2,0,0)的時(shí)間為t1和t2.當(dāng)順風(fēng)發(fā)射時(shí)，T2發(fā)射，R2接收：（8.58）（8.59）由（8.58和(8.59)式可見，當(dāng)風(fēng)速為零時(shí)，聲波到達(dá)兩個(gè)方向相反，距離相等的接收器所需時(shí)間相等。即而有風(fēng)時(shí)，v0,vd0,t1t2.于是就利用這一原理，測(cè)量相對(duì)方向上聲波脈沖的傳播時(shí)間之差，以測(cè)得風(fēng)速，即：

（8.60）同理,y方向的風(fēng)速分量vy的計(jì)算式為:（8.61）同理,z方向的風(fēng)速分量vz的計(jì)算式為:（8.62）

由(8.60)可得結(jié)論:聲波沿聲程方向順風(fēng)傳播和逆風(fēng)傳播的時(shí)間差與沿聲程方向的風(fēng)速成正比.由此可知,聲學(xué)風(fēng)速儀的測(cè)速技術(shù)就歸之于測(cè)量聲波傳播的時(shí)間差.用適當(dāng)?shù)碾娮泳€路和裝置實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)時(shí)間差的測(cè)量,便可測(cè)得所需風(fēng)速及其分量.下面是一實(shí)用原理圖:

通常超聲風(fēng)速儀有三組測(cè)風(fēng)探頭,以測(cè)量x,y,z三個(gè)風(fēng)速分量。超聲風(fēng)速儀響應(yīng)速度很快,可每秒測(cè)量20次,測(cè)量范圍可從0.01-30米/秒。

＆8.6激光風(fēng)速儀原理一、概述：激光風(fēng)速儀（LaserDopplerAnemometerLDA;LaserDopplerVelocimeterLDV)是建立在激光技術(shù)和多普勒頻移原理基礎(chǔ)上，通過(guò)頻率測(cè)量來(lái)測(cè)定風(fēng)速的（FV）。激光通過(guò)大氣層時(shí)，大氣層中的氣溶膠粒子對(duì)入射光有散射效應(yīng)，而運(yùn)行的氣溶膠粒子將使散射光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移效應(yīng)。在接收器內(nèi)比較發(fā)射的參考光和散射光的頻差，就可確定運(yùn)載氣溶膠粒子（Aerosolparticle)的氣流速度。激光風(fēng)速儀（LDA）有兩大優(yōu)點(diǎn)：

1、可遠(yuǎn)距離遙測(cè)，響應(yīng)速度快；

2、完全不干擾自然流場(chǎng)。激光風(fēng)速儀的機(jī)構(gòu)：

1、激光器；2、入射光學(xué)單元；3、收集光學(xué)單元；4、多普勒信號(hào)處理單元、5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。差動(dòng)式頻移LDV系統(tǒng)示意圖1.激光器：

He-Ne,λ=632.8nmAr,λ=488nm(blue),λ=514.5nm(green)2.入射光學(xué)單元：多普勒頻移頻率3.光學(xué)接收單元接收運(yùn)動(dòng)流體中粒子的散射光，得到多普勒頻移頻率fD4.多普勒信號(hào)處理器頻率跟蹤器，計(jì)數(shù)式處理器，光子相關(guān)器5.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模擬量、數(shù)字量轉(zhuǎn)換成風(fēng)速二.激光測(cè)速原理

設(shè)照射光的頻率為f0，粒子P的運(yùn)動(dòng)速度為u，fs為粒子多勒效應(yīng)頻率,e0為粒子入射光單位向量，es為粒子散射光單位向量，c為介質(zhì)中的光速。根據(jù)相對(duì)論變換公式，經(jīng)多普勒效應(yīng)后，粒子接收到的光波頻率為：當(dāng)ue0《c時(shí)，可得(8.63)式的近似式粒子作為運(yùn)動(dòng)的光源，以此頻率向四周發(fā)射散射光。當(dāng)靜止的觀測(cè)者（光檢測(cè)器）從某一方向上觀測(cè)粒子的散射光時(shí)，由于它們之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收器接收到的散射光頻率又會(huì)與粒子所接收到的不同，其頻率為：（8.63）這就是在靜止的光源和運(yùn)動(dòng)的粒子條件下，經(jīng)過(guò)一次多普勒效應(yīng)后的頻率關(guān)系式。（8.64）（8.65）es為粒子散射光單位向量，c為介質(zhì)中的光速。取正是因?yàn)檫x擇es向量由粒子朝向光檢測(cè)器。將(8.64)代入(8.65)式，當(dāng)u《c時(shí)，忽略高次項(xiàng)，可得經(jīng)兩次多普勒效應(yīng)后的頻率關(guān)系式為（8.66）（8.67）最后可得它與光源頻率之差（多普勒頻移），即

因此，可設(shè)計(jì)一種光路，能使得接收器同時(shí)接收到兩種頻率的光，由光電接收器檢測(cè)出差頻來(lái)。如下圖所示，由兩束頻率相同的入射光，照射到運(yùn)動(dòng)的粒子P 上。由前面多普勒頻移原理：對(duì)第一束入射光，接收器接收到的散射光的頻率為：對(duì)第二束光，接收器接收到的散射光的頻率為：這兩部分散射光在接收器上混頻后，可測(cè)得差頻為：接收器（8.68）當(dāng)es1=es2，多普勒頻移fD是兩部分光波頻率之差。由兩束入射光的單位矢量ei1,ei2與風(fēng)速u的點(diǎn)乘積關(guān)系：

是兩束入射光的夾角，將（8.69）代入（8.68）得：（8.69）（8.70）由（8.70）可見，當(dāng)

和

一定時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻移fD成正比。就是說(shuō)，可以通過(guò)測(cè)量多普勒頻移fD而得到風(fēng)速u，這就是激光測(cè)量風(fēng)速的原理。三、激光測(cè)速儀存在的問(wèn)題：

激光風(fēng)速儀測(cè)得的風(fēng)速并不是真正的大氣流動(dòng)速度，而是懸浮于氣流中的散射粒子的運(yùn)動(dòng)速度。因?yàn)榱Ｗ优c流體的密度有顯著差異，粒子不可能完全跟隨流體運(yùn)動(dòng)，其速度總會(huì)有差異，這就造成了激光測(cè)量的誤差。

一、旋臂機(jī)圖示

旋臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，與空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（空氣假定靜止），其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為：

式中n為旋臂轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；R為旋臂的半徑；t為旋臂轉(zhuǎn)動(dòng)n圈時(shí)的時(shí)間。

同時(shí)記錄風(fēng)速儀的輸出，如熱線風(fēng)速儀的輸出電動(dòng)勢(shì) 做出V——

的關(guān)系圖或回歸方程。

＆8.7風(fēng)速儀的檢定

優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可調(diào)；可檢定低風(fēng)速，例如0.2m/s;

缺點(diǎn)：低風(fēng)速時(shí)保證室內(nèi)靜風(fēng)（門窗不能漏風(fēng)，人不能走動(dòng)）；高風(fēng)速時(shí)要保證旋臂卷起的風(fēng)要消除（旋臂周圍樹立柵欄）以消除大轉(zhuǎn)速時(shí)，室內(nèi)氣流造成的檢定誤差。做出縱坐標(biāo)為V（m/s)與橫坐標(biāo)為輸出電動(dòng)勢(shì)（mv)的檢定曲線，并作出回歸方程。

檢定曲線圖示二、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置環(huán)境學(xué)院大氣邊界層風(fēng)洞，寬3m，高2m，長(zhǎng)32m1、風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)收縮段、工作段、馬達(dá)、電力部分

風(fēng)洞風(fēng)速的大小，由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)有兩個(gè)繞組，一組繞在旋轉(zhuǎn)鐵心上，成為轉(zhuǎn)子；另一組繞在外圍鐵殼上，稱為定子；當(dāng)定子被一個(gè)恒定電壓供電，改變與轉(zhuǎn)子間的磁場(chǎng)，即可改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)洞風(fēng)速的目的。

風(fēng)洞中風(fēng)速的測(cè)量是借助風(fēng)洞收縮段兩個(gè)靜壓口的壓力差來(lái)測(cè)量。

設(shè)收縮段靜壓為P1，動(dòng)壓為；工作段靜壓為P2，動(dòng)壓為；得：

（1）

微壓計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示：

由（1）和（2）式即可計(jì)算出風(fēng)洞工作段的風(fēng)速V2，若在風(fēng)洞工作段中放入風(fēng)速儀，即可對(duì)風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)定，即：

（2）

做出縱坐標(biāo)為V（m/s)與橫坐標(biāo)為輸出電動(dòng)勢(shì)（mv)的檢定曲線或者是風(fēng)速儀轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)/秒，并作出回歸方程。

檢定曲線圖示＆

8.8氣象鐵塔探測(cè)系統(tǒng)氣象鐵塔的架設(shè)和儀器配置梯度測(cè)量溫度測(cè)量濕度測(cè)量風(fēng)速測(cè)量風(fēng)向測(cè)量氣象塔架設(shè)的基本要求建于平坦、開闊的地面上周圍任何障礙物與塔體的距離至少為障礙物本身高度的十倍以上塔與觀測(cè)機(jī)房之間應(yīng)有一電纜溝相連，以便鋪設(shè)電源電纜和信號(hào)傳輸總線塔體安裝后應(yīng)堅(jiān)固、可靠，保證十年以上的正常使用塔體要能承受當(dāng)?shù)刈類毫託庀髼l件，如大風(fēng)、沙塵暴、暴雨等塔體要符合避雷安全要求氣象鐵塔的架設(shè)和儀器配置塔結(jié)構(gòu)：三角形結(jié)構(gòu)，空心，主要指標(biāo)：塔高和邊長(zhǎng)層次設(shè)計(jì)：對(duì)數(shù)或指數(shù)分布儀器架設(shè)臂長(zhǎng)：與直徑成比例(3倍)鋼制底座和混凝土地基，鋼絲拉線加固便于工作人員拆卸、維修儀器設(shè)備氣象觀測(cè)塔觀測(cè)系統(tǒng)硬件部分各主要單元結(jié)構(gòu)

配套地面觀測(cè)系統(tǒng)硬件部分各主要單元結(jié)構(gòu)塔上儀器配置每層架設(shè)風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)、鉑金屬溫度計(jì)、濕度計(jì)，進(jìn)行慢響應(yīng)平均場(chǎng)梯度測(cè)量，每20秒記錄一組數(shù)據(jù)。在需要的高度上架設(shè)超聲風(fēng)速溫度儀，進(jìn)行湍流場(chǎng)測(cè)量，每秒采集10次或20次，得到三維風(fēng)速和溫度脈動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)需要架設(shè)各種儀器設(shè)備。梯度測(cè)量

在不同高度上進(jìn)行：溫度測(cè)量：鉑電阻溫度計(jì)濕度測(cè)量：濕敏電容濕度計(jì)風(fēng)速測(cè)量：旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)風(fēng)向測(cè)量：風(fēng)向標(biāo)溫度、濕度傳感器和防輻射罩大氣湍流測(cè)量1、三維湍流脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量超聲風(fēng)速計(jì)

2、溫度脈動(dòng)測(cè)量超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)溫度脈動(dòng)鉑金屬溫度脈動(dòng)儀

3、濕度脈動(dòng)測(cè)量紫外濕度計(jì)紅外濕度計(jì)

超聲風(fēng)速儀超聲風(fēng)速儀性能參數(shù)聲程：15cm（或20）（X、Y、Z三軸向）量程：風(fēng)速：0.01-30m/s（或60）風(fēng)向：0-360

溫度：-30-50采樣速率：最大每秒20次(20Hz)傳輸速率：400kb/s傳輸距離：400m超聲風(fēng)速儀的安裝底座保持水平，防止水平風(fēng)對(duì)垂直方向測(cè)量的影響陰影效應(yīng)和減少塔體影響取決于探頭軸線與風(fēng)向夾角和風(fēng)速塔體迎風(fēng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大影響方向性和角度修正磁羅盤法或北極星法定方位超聲風(fēng)速儀的資料采集記錄數(shù)據(jù)：U、V、W、T（T(Pt））生成數(shù)據(jù)：三維平均風(fēng)速平均風(fēng)向溫度三維均方差平均動(dòng)量通量、熱量通量三分量風(fēng)速儀濕度脈動(dòng)測(cè)量紫外濕度計(jì)

利用水汽拉曼-阿爾法吸收線（波長(zhǎng)0.1216微米），測(cè)量輻射通過(guò)水汽時(shí)的衰減，計(jì)算水汽密度。紅外濕度計(jì)

工作波長(zhǎng)為2.5微米水汽弱吸收區(qū)和2.59微米強(qiáng)吸收區(qū)兩個(gè)波段，測(cè)量?jī)蓚€(gè)通道輻射衰減的差別，計(jì)算水汽密度。濕度脈動(dòng)測(cè)量?jī)x器紅外濕度脈動(dòng)儀

超聲風(fēng)速溫度儀＆

8.9低空氣球探測(cè)小球測(cè)風(fēng)

低空探空系留氣球主要技術(shù)特點(diǎn)：

1、三維定位方式：雙經(jīng)緯儀跟蹤

2、較高時(shí)空分辨率

3、較高的探測(cè)精度系留氣球探測(cè)系留氣球探測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)組成：飛艇式氣球，懸掛式探空儀，地面信息接收處理系統(tǒng)，電動(dòng)絞車和纜繩性能：溫度(珠狀熱敏電阻)0.1度（0.2）濕度(干濕球方法)1%(2%)

氣壓(陶瓷片基金