如何測量風速和風向其實在古代很早就出現(xiàn)了。 著名的諸葛亮利用東風燒墻，就是因為他有效地掌握了風向和風速的知識，從而取得了軍事上的重大勝利。
作為氣象測量設備，用于測量風的方向和大小的風速傳感器和風向傳感器也已廣泛應用于各個行業(yè)。 下面我們就來看看這兩款設備。
風向傳感器
風向傳感器是一種利用風向箭頭的旋轉來檢測和感知外界風向信息，并將其傳輸?shù)酵S編碼板，同時輸出與風向相關的相應值的物理裝置。
通常風向傳感器的主體采用風向標的機械結構。 當風吹向風向標的尾翼時，風向標的箭頭將指向風的方向。 為了保持對方向的敏感性，還使用不同的內(nèi)部機制來識別風速傳感器的方向。 通常分為三類：
電磁風向傳感器：利用電磁原理設計。 由于原理種類繁多，結構也各不相同。 目前，部分傳感器已開始采用陀螺儀芯片或電子羅盤作為基礎元件，其測量精度得到進一步提高。
光電風向傳感器：此類風向傳感器采用絕對格雷碼盤作為基本部件，并采用專門定制的編碼。 基于光電信號轉換原理，可以準確輸出相應的風向信息。
電阻式風向傳感器：這種風向傳感器采用類似于滑動變阻器的結構。 電阻值的最大值和最小值分別標記為360°和0°。 當風向標轉動時，滑動變阻器的滑桿也會隨之轉動。 旋轉頂部的風向標，產(chǎn)生的不同電壓變化可以計算出風向的角度或方向。
風速傳感器
風速傳感器是一種常見的傳感器，可以連續(xù)測量風速和風量（風量=風速×橫截面積）。
風速傳感器一般分為機械式（主要是螺旋槳式、風杯式）風速傳感器、熱風風速傳感器、皮托管風速傳感器和基于聲學原理的超聲波風速傳感器。
螺旋槳風速傳感器工作原理
我們知道，電風扇是利用電動機帶動扇葉旋轉，使扇葉前后產(chǎn)生壓力差，促進空氣流動。 螺旋槳風速計的工作原理正好相反。 與氣流對齊的葉片系統(tǒng)受到風壓的影響，產(chǎn)生一定的扭矩使葉片系統(tǒng)旋轉。 通常，螺旋槳式速度傳感器通過繞水平軸旋轉一組三葉或四葉螺旋槳來測量風速。 螺旋槳通常安裝在風向標的前部，使其旋轉平面始終面向風向，其轉速與風速成正比。 。
風杯式風速傳感器工作原理
杯式風速傳感器是一種很常見的風速傳感器，最早由英國人羅賓遜發(fā)明。 感應部分由三四個圓錐形或半球形空杯組成。 空心杯殼固定在互成120°的三尖星形支架或互成90°的十字形支架上。 杯體的凹面朝一個方向排列，整個橫擔架固定在一根垂直的旋轉軸上。
當風從左側吹來時，風杯1與風向平行，風在風杯1上的壓力在最直達風杯軸線的方向上的分力近似為零。 風杯2和3與風向相交成60度角。 對于風杯2來說，其凹面面向風，承受的風壓最大； 而風杯3則有一個迎風的凸面，周圍的風流使其承受風壓。 小于風杯2，由于風杯2和風杯3在垂直于風杯軸線的方向上存在壓力差，風杯開始順時針旋轉。 風速越大，初始壓力差越大，導致加速度越大，風杯旋轉得越快。
風杯開始旋轉后，由于杯2順風方向旋轉，風的壓力相對減小，而杯3以相同速度逆風旋轉，其所受的風壓力相對增大傳感器原理，風壓差繼續(xù)減小。 經(jīng)過一段時間（風速不變的情況下），當作用在三個風杯上的分壓差為零時，風杯就會勻速旋轉。 這樣，就可以根據(jù)風杯的轉速（每秒轉數(shù)）來確定風速。
當風杯旋轉時，帶動同軸多齒盤或磁棒旋轉，通過電路得到與風杯轉速成正比的脈沖信號。 脈沖信號通過計數(shù)器進行計數(shù)，經(jīng)過轉換后即可得到實際的風速值。 目前新型轉杯式風速計均采用三個杯體，且錐形杯體的性能優(yōu)于半球形杯體。 當風速增大時，轉杯可以迅速提高轉速以適應氣流速度。 當風速降低時，由于慣性的影響，轉速卻不會立即下降。 陣風時旋轉式風速計指示的風速一般偏高，形成超調(diào)效應（產(chǎn)生的平均誤差約為10%）。
熱式風速傳感器的工作原理
熱式風速傳感器采用熱絲（鎢絲或鉑絲）或熱膜（鉑或鉻制成的薄膜）作為探頭，暴露在被測空氣中，與惠斯通橋。 利用代頓電橋的電阻或電流平衡關系來檢測被測斷面空氣的流速。 熱膜風速傳感器的熱膜上涂有極??薄的石英膜絕緣層，使其與流體絕緣，防止污染。 它可以在有顆粒的氣流中工作，其強度比金屬熱絲高。
當空氣溫度穩(wěn)定時，電熱絲上的耗電量等于電熱絲在空氣中的瞬時熱量消耗。 熱絲的電阻隨溫度變化。 電熱絲的電阻與電熱絲的溫度在常溫范圍內(nèi)（0～300℃），呈線性關系。 放熱系數(shù)與氣流速度有關。 流速越大，相應的放熱系數(shù)越大，意味著散熱快； 流速小則散熱慢。
熱風傳感器測量的風速是電流和電阻的函數(shù)。 保持電流（或電阻）恒定，測得的氣流速度僅與電阻（或電流）一一對應。
熱線風速傳感器有恒流和恒溫兩種設計電路。 恒溫熱線風速傳感器更為常用。 恒溫法的原理是在測量過程中保持熱絲溫度恒定，以平衡電橋。 此時，熱絲的電阻保持不變，氣流速度只是電流的單值函數(shù)。 根據(jù)已知的氣流速度與電流的關系，可以得到終端單元的氣流速度。 恒流熱線風速傳感器在測量過程中保持流過熱線的電流值不變。 當電流值不變時，氣流速度僅與熱絲的電阻有關。 根據(jù)已知的氣流速度與熱絲電阻的關系，即可得到通過風速傳感器的氣流速度。
熱線風速傳感器測量脈動風速。 恒流風速傳感器熱慣性較大，而恒溫風速傳感器熱慣性相對較小，速度響應較高。 熱線式風速傳感器的測量精度不是很高，使用時要注意溫度補償。
皮托管風速傳感器工作原理
皮托管又稱“皮托管”、“風速管”，是一種測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的管狀裝置。 它因法國人H.皮托的發(fā)明而得名。
用實驗方法很難直接測量氣流的速度，但用壓力表可以很容易地測量氣流的壓力。 它主要用于測量飛機的速度，但也有許多其他功能。 因此，可以用皮托管來測量壓力，然后用伯努利定理來計算氣流的速度。 皮托管由帶有圓頭的雙層套管組成（見圖）。 外殼的直徑為D。圓頭的中心O處開有與內(nèi)殼相連的總壓孔，與壓力表的一端相連。 直徑為0.3~0.6D。 在外管側面距O約3～8D處，沿周向均勻開一排垂直于外管壁的靜壓孔。 連接壓力表的另一端，將皮托管置于穩(wěn)定氣流中，測量速度。 ，使管軸線與氣流方向一致，管前緣面向來流。 當氣流接近O點時，其流速逐漸減小，到達O點時流速為零。所以在O點測得的就是總壓力P。其次，由于管道很細，C點距離足夠遠。 O點時，C點的速度和壓力已基本恢復到與來流速度V和壓力P相同的值。因此，C點測得的靜壓為 。 對于低速流動（可近似認為流體不可壓縮），根據(jù)伯努利定理確定流量的公式為：
根據(jù)壓力表測得的總壓和靜壓差PP，以及流體的密度ρ，可按式（1）計算出氣流的速度。
超聲波風速傳感器工作原理
超聲波風速傳感器的工作原理是利用超聲波時間差法來測量風速。 因為聲音在空氣中傳播的速度會與風向氣流的速度疊加。 如果超聲波與風同向傳播，則其速度會增加； 反之，如果超聲波以與風相反的方向傳播，其速度就會減慢。 因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以對應于風速函數(shù)。 通過計算可以得到準確的風速和風向。 由于聲波在空氣中傳播，其速度受溫度影響較大； 風速傳感器在兩個通道上檢測兩個相反的方向，因此溫度對聲波速度的影響可以忽略不計。
超聲波風速傳感器重量輕，無活動部件，堅固耐用，無需維護或現(xiàn)場校準。 可同時輸出風速和風向。 客戶可以根據(jù)需要選擇風速單位、輸出頻率和輸出格式。 您還可以根據(jù)需要選擇加熱裝置（寒冷環(huán)境下推薦）或模擬輸出。 可與計算機、數(shù)據(jù)采集器或其他具有RS485或模擬輸出的采集設備配合使用。 如果需要，也可以使用多個單元組成網(wǎng)絡。
超聲波風速風向儀是一種比較先進的測量風速風向的儀器。 由于它很好地克服了機械式風速風向儀的固有缺點，可以全天候、長時間正常工作，正在得到越來越廣泛的應用。 它將成為機械風速計的強大替代品。
超聲波風速傳感器特點：
1、采用聲學相位補償技術，精度更高；
2、采用隨機誤差識別技術，即使在強風情況下也能保證測量的低離散誤差，使輸出更加穩(wěn)定；
3、毛毛雨、大霧天氣測量補償技術，環(huán)境適應性更強；
4.數(shù)字濾波技術，抗電磁干擾能力更強；
5、無啟動風速限制，零風速運行，適合室內(nèi)微風測量，無角度限制（360°全向），同時獲取風速和風向數(shù)據(jù)；
6、測量精度高； 性能穩(wěn)定； 功耗低，無需校準；
7、結構堅固，儀表耐腐蝕性強。 安裝和使用過程中無需擔心損壞；
8、設計靈活、輕便、攜帶方便、安裝拆卸方便；
9、信號接入方便，同時提供數(shù)字信號和模擬信號；
10.無需維護或現(xiàn)場校準傳感器原理，真正0~359°工作（無死角）。
風向風速傳感器的應用
雖然風向傳感器和風速傳感器是兩個完全獨立的傳感器，但大多數(shù)情況下，這兩個傳感器集成在同一個測量裝置中，通過綜合處理數(shù)據(jù)信息來協(xié)同工作。
風向風速傳感器在氣象領域的應用
在氣象領域，通常需要觀察很多自然現(xiàn)象，比如風速和天氣的變化，當然還有風向的變化。 對于風向的測量，現(xiàn)在基本上都是采用風向儀或者風向傳感器設備來解決這個問題。
地面風向變化測量：在沙漠、高原地區(qū)的防沙工作中，人們通常需要關注氣流速度和風向的變化，以便掌握更多的氣象數(shù)據(jù)，制定更完善的防治方案，所以在整個過程中都會用到風傳感器等氣象設備。
海洋風暴預警：可以說，海洋氣象預警系統(tǒng)是風向傳感器在氣象領域的重要應用之一。 它為海洋氣象預警系統(tǒng)提供的風向變化數(shù)據(jù)是預測臺風覆蓋范圍和“運行”軌跡的重要參數(shù)之一。
風向風速傳感器在煤礦井下的應用
礦井安裝的通風設備往往型號不同，其工作功率也有很大差異。 因此，有必要使用風速傳感器設備來監(jiān)測每個通風通道的風速值，以防止某個位置的通風率過低而導致有害氣體濃度過高的現(xiàn)象出現(xiàn)。
事實上，為了保證大、中、小型煤礦的安全生產(chǎn)，根據(jù)相關規(guī)定，煤礦都應安裝風速傳感器設備。 各礦區(qū)、翼回風巷、主回風巷均應安裝風速傳感器設備。 ，且掘進工作面屬于礦區(qū)的一部分，因此掘進工作面需要安裝風速傳感器。
事實上，隧道面需要安裝風速傳感器還有一個主要原因。 這就是煤礦井下的甲烷、一氧化碳、瓦斯等有害氣體最容易從巷道面出現(xiàn)，有的氣體甚至存在于地下形成的“氣室”中。 該瓦斯是直接有害氣體，因此煤礦需要在每個位置安裝風速傳感器并連接通風設備。
風向風速傳感器在風力發(fā)電領域的應用
現(xiàn)代大型風力發(fā)電機為了更好地利用風資源，葉輪的方向通常不是由尾翼控制，而是由風向傳感器控制。 通常風向傳感器需要安裝在風力發(fā)電機的頂部，但需要防止葉輪妨礙傳感器的測量。 如果傳感器的高度達到一定程度，人們還需要注意發(fā)電機組和傳感器的防雷、漏電保護。
通常安裝在風電場附近的風向傳感器有兩個主要用途：
1、保證風機葉片能夠實時正對風向，保證其處于正常工作狀態(tài)。
2.風電場附近氣象站設備上的風向測量儀器可以確保強風不會對風力發(fā)電機造成威脅。
風向風速傳感器在塔機領域的應用
通常，為了保證施工項目的進度，大多數(shù)塔式起重機通常都配備有風速傳感器設備。 它的存在可以讓起重機在強風影響起重機工作時發(fā)出警報。 然而，當大風已經(jīng)開始影響起重機的工作時，往往需要注意風向的變化，以便能夠采取措施應對不同方向的風，因此有些起重機已經(jīng)利用了風向傳感器設備。
風向風速傳感器在空調(diào)通風設備領域的應用
變風量末端裝置是變風量空調(diào)系統(tǒng)的主要設備之一。 風速傳感器是變風量末端裝置的關鍵部件。 因此，風速傳感器的類型和性能直接影響系統(tǒng)風量的檢測和控制質(zhì)量。 目前我國及歐美各廠家的變風量終端裝置均采用皮托管式風速傳感器，而日本多數(shù)廠家不采用皮托管式風速傳感器。
風向風速傳感器在航空領域的應用
飛機上的“皮托管”就是典型的皮托管風速傳感器，是飛機上極其重要的測量工具。 其安裝位置必須在飛機外部氣流受飛機影響較小的區(qū)域，通常是機頭正前方、垂尾或翼尖前方。 當飛機向前飛行時，氣流沖入皮托管，管末端的傳感器會感受到氣流的沖擊力，即動壓力。 飛機飛得越快，動壓力就越大。 如果比較空氣靜止時的壓力，即靜壓和動壓，就可以知道空氣沖進來的速度有多快，即飛機飛得有多快。 比較兩個壓力的工具是一個空心的圓形盒子，其表面呈波紋狀，由上下兩片薄金屬片制成，稱為膜片。 盒子是密封的，但有一根管子連接到皮托管。 如果飛行器速度快，動壓增大，膜盒內(nèi)部壓力增大，膜盒就會鼓起。 由小杠桿、齒輪等組成的裝置可以測量波紋管的變形并用指針顯示出來。 這是最簡單的飛機空速指示器。
皮托管測得的靜壓也可作為高度計的計算參數(shù)。 如果波紋管完全密封，則內(nèi)部壓力始終等于地面空氣壓力。 這樣，當飛機飛到空中，高度升高時物理資源網(wǎng)，皮托管測得的靜壓減小，膜盒就會鼓起，通過測量膜盒的變形量就可以測出飛機高度。 這種類型的高度計稱為氣壓高度計。
皮托管測得的速度并不是飛機相對于地面的實際速度，而只是相對于大氣的速度，所以稱為空速。 如果有風，飛機相對于地面的速度（稱為地速）應加上風速（順風飛行）或減去風速（逆風飛行）。
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，激光等一些新型風速傳感器也開始應用于風速檢測。 相信在不久的將來，各種新型風向風速傳感器將越來越多地應用于工程機械、鐵路、港口、碼頭、電廠、氣象、索道、環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖等各個領域。
順風飛行）或減去風速（順風飛行）。
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，激光等一些新型風速傳感器也開始應用于風速檢測。 相信在不久的將來，各種新型風向風速傳感器將越來越多地應用于工程機械、鐵路、港口、碼頭、電廠、氣象、索道、環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖等各個領域。