一种风力参数测量装置与电子设备的制作方法

1.本技术涉及风力参数测量领域，具体而言，涉及一种风力参数测量装置与电子设备。


背景技术：

2.气象是人类生活活动的重要影响因素，时时刻刻影响着人们的生活，与人类日常息息相关，人类也从未停止过对气象的探索。无论是在军事，通讯，农业，渔业等各方面，气象要素都占据着及其重要的位置。而风又是气象要素中最重要之一，而且对于人类的生活影响最为直观，也最为人们熟知。
3.对于风力参数的测量，普遍基于风速与风向两个参数实现，其中，对于风向的测量方式，主要采用风向标实现；而对于风速的测量，一般采用风速仪实现。
4.然而，目前对于风力参数的测量存在测量不够灵敏的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种风力参数测量装置与电子设备，以解决现有技术中对于风力参数的测量不够灵敏的问题。
6.为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
7.一方面，本技术实施例提供了一种风力参数测量装置，所述风力参数测量装置包括固定轴、测量电路以及至少一个应变片，所述应变片安装于所述固定轴上，且所述应变片与所述测量电路相连；其中，
8.所述应变片与所述固定轴用于在风力作用下发生形变，且所述应变片的阻值变化量与形变量关联；
9.所述测量电路用于依据所述应变片的阻值变化量确定当前的风力参数。
10.可选地，所述应变片的数量包括至少三个，至少三个所述应变片间隔的设置于所述固定轴上，且每个所述应变片均与一个所述测量电路相连。
11.可选地，所述应变片的数量包括一个或两个，所述风力参数测量装置还包括驱动模块，所述驱动模块与所述固定轴相连，以带动所述固定轴旋转；其中，
12.所述测量电路用于在所述固定轴旋转至所述应变片的形变量最大时，确定当前的风力参数。
13.可选地，所述测量电路包括电源组件、连接组件、运放模块以及控制器，所述连接组件与所述应变片连接组成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥与所述电源组件、所述运放模块电连接，所述运放模块还与所述控制器电连接。
14.可选地，所述运放模块包括第一放大器、第二放大器以及减法运算器，所述第一放大器的同相输入端与所述惠斯通电桥的上桥臂的中点电连接，所述第二放大器的同相输入端与所述惠斯通电桥的下桥臂的中点电连接，所述第一放大器的反相输入端与所述第二放大器的反相输入端电连接，所述第一放大器与所述第二放大器的输出端与所述减法运算器
的输入端电连接，所述减法运算器的输出端与所述控制器电连接。
15.可选地，所述电源组件包括电源、第一电阻、稳压器以及电压跟随器，所述第一电阻的一端与所述电源相连，所述第一电阻的另一端分别与所述稳压器的负极、所述电压跟随器的同相输入端电连接，所述稳压器的阳极接地，所述电压跟随器的反相输入端与输出端电连接，所述电压跟随器的输出端还与所述惠斯通电桥电连接。
16.可选地，所述风力参数测量装置还包括感风器，所述感风器套设于所述应变片外，所述感风器与所述应变片连接，且所述感风器由非形变材料制作而成。
17.可选地，所述感风器的形状设置为圆柱形。
18.可选地，所述风力参数测量装置还包括底座与指南针，所述固定轴的端部与所述底座连接，所述指南针设置于所述底座上，且所述指南针与所述测量电路连接。
19.另一方面，本技术实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述的风力参数测量装置。
20.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
21.本技术实施例提供了一种风力参数测量装置与电子设备，该风力参数测量装置包括固定轴、测量电路以及至少一个应变片，应变片安装于固定轴上，且应变片与测量电路相连；其中，应变片与固定轴用于在风力作用下发生形变，且应变片的阻值变化量与形变量关联，测量电路用于依据应变片的阻值变化量确定当前的风力参数。由于在风力作用下，应变片与固定轴会发生形变，应变片的形变会引起应变片阻值的变化，因此，当测量到应变片的不同阻值时，可以确定出风速的大小，同时根据至少一个应变片的设置，可以实现对风向的确定，使得测定的结果更加精确。并且，本技术提供的风力参数测量装置的结构更加简单。
22.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
24.图1为本技术实施例提供的风力参数测量装置的一种结构示意图。
25.图2为本技术实施例提供的风力参数测的一种应用场景图。
26.图3为本技术实施例提供的风力参数测量装置的另一种结构示意图。
27.图4为本技术实施例提供的风力参数测量装置的剖面示意图。
28.图5为本技术实施例提供的测量电路的模块示意图。
29.图6为本技术实施例提供的电源组件的电路示意图。
30.图7为本技术实施例提供的连接组件与运放模块的电路示意图。
31.图8为本技术实施例提供的风力参数测量时的向量示意图。
32.图中：
33.100-风力参数测量装置；110-固定轴；120-应变片；130-感风器；140-底座；150-测量电路；151-电源组件；152-连接组件；153-运放模块；154-控制器；r1-第一电阻；r2-第二
电阻；r3-第三电阻；r4-第四电阻；u1d-电压跟随器；u1b-第一放大器；u1c-第二放大器；u1a-减法运算器；d1-稳压器。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
35.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.正如背景技术中所述，目前对于风力参数的测量存在测量不够灵敏的问题。并且，目前普遍采用一些结构较为复杂或者成本较高的方式实现对风力参数的测量，例如，采用热式风速传感器、皮托管风速传感器、超声波式风速传感器实现对风速的测量，但其测量成本相对较高。
39.有鉴于此，为了解决上述问题，本技术提供了一种风力参数测量装置，通过设置应变片等简单结构，实现对风力参数的精准测量。
40.下面对本技术提供的风力参数测量装置进行示例性说明：
41.作为一种实现方式，请参阅图1，该风力参数测量装置100包括固定轴110、测量电路150以及至少一个应变片120，应变片120安装于固定轴110上，且应变片120与测量电路150相连。其中，应变片120与固定轴110用于在风力作用下发生形变，且应变片120的阻值变化量与形变量关联，测量电路150用于依据应变片120的阻值变化量确定当前的风力参数。
42.其中，为了使应变片120能够在风力作用下发生形变后，并且在无风时，应变片120与固定轴110能够复原，本技术提供的固定轴110采用韧性较好的材料制作而成，并且其可以制作为中空的圆柱形，且应变片120贴附于固定轴110的表面。当受风力作用时，固定轴110内凹，带动应变片120形变；而在无风情况下，固定轴110复原，进而能够带动应变片120复原。
43.需要说明的是，本技术所述的风力参数，指风速和/或风向，在风力作用下，应变片120与固定轴110会发生形变，并且，不同风速对应变片120与固定轴110的作用力不相同，进而会导致在不同风速下，应变片120与固定轴110的形变量并不相同。一般而言，风速与作用力成正关联关系，即风速越大，对应变片120与固定轴110的作用力也会越大。例如，当某一时间段在刮西风时，其风速为x，此时朝向该方向的应变片120与固定轴110会发生形变，形变量为x；当风速提升至2x时，风力也会增大，因此应变片120与固定轴110的形变量提升，例
如，应变片120的形变量提升至2x。
44.同时，在受风时，不同位置的应变片120的形变量并不相同，例如，当风向为从左至右方向时，位于左侧的应变片120由于直接与风力作用，因此固定轴110发生形变，应变片120被拉伸，且受力最大；而逐渐远离左侧的方向，则受到的风力作用逐渐变小，例如，位于上侧或下侧的固定轴110也会发生不同程度的形变，进而导致应变片120被拉伸，但其受风的作用力明显小于最左侧应变片120受风的作用力；而对于最右侧的应变片120，此时还可能由于负压的存在被压缩。因此，可以依据应变片120形变的方向，确定出最终的风向。
45.例如，作为一种实现方式，应变片120的数量包括至少三个，至少三个应变片120间隔的设置于固定轴110上，且每个应变片120均与一个测量电路150相连，可以理解地，为了使测试更加简单，该至少三个应变片120采用完全一致的应变片120。
46.可选地，为了使测量的效果更加灵敏，至少三个应变片120等间距设置，使得无论风向为任意方向，均有应变片120能够进行感应。例如，当应变片120的数量为3个时，则相邻两个应变片120之间呈120
°
设置；或者，当应变片120的数量为4个时，则四个应变片120连接成正方形，相邻两个设备之间呈90
°
设置，当然地，在实际应用中，为了是测量精度更高，也可以选择数量更多的应变片120，例如，采用8个应变片120实现测量，在此不做具体限定。
47.以应变片120的数量为4个为例进行说明，请参阅图2，风力参数测量装置100包括4个应变片120，分别为位于上侧的a、位于左侧的b、位于下侧的c以及位于右侧的d。当风向为风a时，则应变片120拉伸，应变片120与c也会被拉伸，但其形变量会明显小于应变片120的形变量，应变片120由于负压作用压缩。而当风向为风b时，则应变片120与c拉伸，应变片120与d由于负压作用压缩。通过设置多个应变片120的方式，可以将应变片120受力的合方向作为风向。
48.作为本技术另一种实现方式，应变片120的数量也可以为一个或两个，风力参数测量装置100还包括驱动模块，驱动模块与固定轴110相连，以带动固定轴110旋转；其中，测量电路150用于在固定轴110旋转至应变片120的形变量最大时，确定当前的风力参数。
49.可选的，该驱动模块可以为电机，电机的转子与固定轴110铰接，进而能够带动固定轴110旋转，在旋转过程中，应变片120会不断受风力影响，其中，当应变片120的方向与风向正对时，应变片120压缩的形变最大，进而可确定该方向为风向，并且在该方向通过测量电路150确定出风速的大小。其中，可以根据电机的旋转速度确定当前的方向，进而可以确定出当前方向受到的风力大小。
50.例如，当需要测量风速时，电机运动并带动固定轴110旋转360
°
，在该过程中，测量电路150会实时获取数据，并确定数据最大时对应的位置，为了设置方便，应变片120与一般设置于固定轴110的顶端，在此基础上，电极的转子可以与固定轴110的底端铰接，进而带动固定轴110转动。并且，可以根据电极的旋转速度，确定各个方向所受风力的大小。例如，电极带动固定轴110以1
°
/s的速度进行旋转，则在第1s时获得的风力大小，为与原点相差1
°
的方向的风力大小；在第20s时获得的风力大小，为与原点相差20
°
的方向的风力大小，以此类推。
51.当然地，为了更加精确的确定各个方向的所受风力的大小，风力参数测量装置还可以包括编码盘，编码盘与电机相连，或者编码盘与固定轴相连，进而利用编码盘精确的获取固定轴当前旋转的角度，确定出应变片当前所处的方向，并据此确定出各个方向所受的
风力大小。
52.并且，为了能够对风力参数的测量更加灵敏，作为一种实现方式，请参阅图3与图4，风力参数测量装置100还包括感风器130，感风器130套设于应变片120外，感风器130与应变片120连接，且感风器130由非形变材料制作而成。
53.通过设置感风器130，增大了整个风力参数测量装置100的受力面积，进而能够将风的压力放大，使得整个装置的检测更加灵敏。
54.此外，为了保证论风从哪个方向吹来，都能有相同的受力面积，本技术提供的感风器130的形状设置为圆柱形，当然地，在其他的一些实施例中，感风器130也可以为其他形状，例如椭圆形或者正方体形等，在此不做具体限定。同时，为了保证不会由于感风器130自身的形变导致测量精度的误差，感风器130在选材上选用高强度，不易变形的材质。
55.在设置感风器130后，当起风时，无论风从哪个方向吹来，均会对感风器130提供一定的作用力，并且，由于感风器130本身不会发生形变，因此感风器130会将作用力传递至应力片与固定轴110，进而引起应力片与固定轴110的形变。
56.此外，请继续参阅图3，为了便于整个风力参数测量装置100的安装，本技术提供的风力参数测量装置100还包括底座140，固定轴110的端部与底座140连接，进而实现固定轴110的安装。可选地，底座140可以采用硬度较大的材料制作而成，且底座140做好防水处理。
57.在一种可选的实现方式中，该风力参数测量装置100可以设置于固定的位置对风力参数进行测量，此时，可以提前确定出应变片120的方位，例如，当设置4个应变片120时，4个应变片120分别朝向正东、正西、正南、正北四个方位，通过应变片120的形变，可以确定出风向与风速。在另一种可选的实现方式中，该装置也可以在移动的状态下进行检测，例如，将该装置安装于无人机或其它电子设备上，实现对风力参数检测时，由于电子设备不断移动中，因此为了能够实时确定准确的风向，该风力参数测量装置100还包括指南针，指南针设置于底座140上，优选地，指南针设置于底座140的内部，且指南针与测量电路150电连接，进而通过指南针提供方位信息，最终使装置得出精准的方位信息。
58.作为一种实现方式，请参阅图5，该测量电路150包括电源组件151、连接组件152、运放模块153以及控制器154，连接组件152与应变片120连接组成惠斯通电桥，惠斯通电桥与电源组件151、运放模块153电连接，运放模块153还与控制器154电连接。可选的，该测量电路150可设置于底座140内。
59.其中，通过连接组件152与应变片120组成的惠斯通电桥，使得测量电路150能够测试出惠斯通电桥的上桥臂与下桥臂的压差，该压差可以表征应变片120电阻的变化量，进而确定出当前风速的大小。
60.对于惠斯通电桥的供电，要求电源稳定且精度高，但一般的电源都会随负载的变化而变化，这样的结果会导致测量电压不准，造成的结果就是风速测量不准确。有鉴于此，请参阅图7，电源组件151包括电源、第一电阻r1、稳压器d1以及电压跟随器u1d，第一电阻r1的一端与电源相连，第一电阻r1的另一端分别与稳压器d1的负极、电压跟随器u1d的同相输入端电连接，稳压器d1的阳极接地，电压跟随器u1d的反相输入端与输出端电连接，电压跟随器u1d的输出端还与惠斯通电桥电连接。
61.其中，稳压器d1可以选用稳压二极管，并且，实现输出稳定电压的效果，当然地，在实际应用中可根据对精度的要求选用其他电压参考芯片替代。由于电压参考芯片或稳压二
极管一般带载能力不强，因此在设计中需要加入一级电压缓冲，目的是为了增强驱动能力，同时还保证了电源稳定性。可选地，本技术采用电压跟随器u1d实现一级电压缓冲。
62.当然地，为了使电源输出效果更好，如图所示，电源组件151还包括滤波电容c55，滤波电容c55的一端与稳压二极管的负极相连，另一端接地，进而实现了对电源的滤波效果。
63.可以理解地，通过设置电源组件151，可以为惠斯通电桥提供工作电压，进而实现应变片120电阻变化的测量。
64.可选地，请参阅图6，连接组件152包括第二电阻r2、第三电阻r3以及第四电阻r4，图示的rx表示应变片120，在应变片120、第二电阻r2、第三电阻r3以及第四电阻r4组成的惠斯通电桥中，应变片120与第二电阻r2组成了上桥臂，第三电阻r3与第四电阻r4组成了下桥臂，且下桥臂为参考臂，作为一种实现方式，在初始状态下时，应变片120、第二电阻r2、第三电阻r3以及第四电阻r4的阻值相同，通过采集比较两个桥臂中点电压变化，便可以推算风力大小的变化。当无风时，即应变片120不会发生形变，此时rx的阻值为初始值，测出的电压为一个固定值；且当初始配置rx/r2＝r3/r4，测出的初始电压为0。当应变片120受到风力，将产生形变。四个不同位置的应变片120所受到的形变状态是不一致的，或是被拉伸，或是被压缩；压缩与拉伸的判别可以通过与运放的参考电压对比，其正负可以表征拉伸或压缩。一旦应变片120产生形变，则应变片120的阻值rx也会发生变化，上桥臂与下桥臂的中点电压不再相等，此时，通过运放模块153的作用，可以求取上桥臂与下桥臂的中点电压的压差，进而根据压差确定出应变片120的阻值变化，并确定出风速。
65.作为一种实现方式，运放模块153包括第一放大器u1b、第二放大器u1c以及减法运算器u1a，第一放大器u1b的同相输入端与惠斯通电桥的上桥臂的中点电连接，第二放大器u1c的同相输入端与惠斯通电桥的下桥臂的中点电连接，第一放大器u1b的反相输入端与第二放大器u1c的反相输入端电连接，第一放大器u1b与第二放大器u1c的输出端与减法运算器u1a的输入端电连接，减法运算器u1a的输出端与控制器154电连接。
66.其中，运放参考电压设置的1v65。其作用是对输入的电压进行抬升，避免出现低于0v的电压状态，导致控制器154无法采集。并且，第一放大器u1b、第二放大器u1c以及减法运算器u1a共同构成仪表放大器结构，单看第一放大器u1b、第二放大器u1c，为两个单独的同相比例放大器，而减法运算器u1a则搭建了一个简单的减法比例运算电路。其中，图示的pa0端口用于连接控制器154的引脚，进而通过运放模块153将压差传输至控制器154，控制器154进行进一步处理可获取风速、风向等参数。
67.可选地，本技术提供的控制器154，可以选用型号为gd32f405rgt6-lqfp-64-gd的芯片。在控制器154获取压差信息后，可以通过计算的方式进一步确定出风速、风向参数信息，该计算方式不用于本技术的保护范围之内。
68.作为参考，本技术提供了一种利用向量确定风速、风向参数信息的方式。请参阅图8，4个圆分别代表4个应变片120位置，当风如图中所示方向吹来，1、2号应变片120将被拉伸，3、4号应变片120将被压缩。以1号点为固定点，电压值分别与其它3个应变片120做差值，电压差值大小对应着此方向上风力的大小，将1-2与1-4方向上的风力进行合成，得到f1，将1-3方向的风力与f1进行合成，得到f2，f2的大小便可以表征为风力的大小，其方向就代表着风力的方向。
69.基于上述实现方式，本技术还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述的风力参数测量装置100，以实现对风速、风向参数的测量。其中，该电子设备可以为无人机等可移动设备，也可以为位置固定的设备，在此不做具体限定。
70.综上所述，本技术实施例提供了一种风力参数测量装置与电子设备，该风力参数测量装置包括固定轴、测量电路以及至少一个应变片，应变片安装于固定轴上，且应变片与测量电路相连；其中，应变片与固定轴用于在风力作用下发生形变，且应变片的阻值变化量与形变量关联，测量电路用于依据应变片的阻值变化量确定当前的风力参数。由于在风力作用下，应变片与固定轴会发生形变，应变片的形变会引起应变片阻值的变化，因此，当测量到应变片的不同阻值时，可以确定出风速的大小，同时根据至少一个应变片的设置，可以实现对风向的确定，使得测定的结果更加精确。并且，本技术提供的风力参数测量装置的结构更加简单。
71.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
72.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。