1.                      1    前言

1.1    本文目标

恒温式风速仪在流体力学研究中被广泛使用的科学仪器。它利用置于惠斯通电桥中的一个微小钨丝探头来测量风速变化，具有系统稳定、时间解析度好等特点。系统原理见示意图1。本文重点介绍风速仪的构成及使用方法，解释各个操作步骤， 并给出示例。

1.2    风速仪的特点与优势

CTA-04风速仪主机主要功能特点如下:

1)                      CTA-04风速仪具有双通道和四通道两种机型。双通道可以同时使用2个单丝探针或1个双丝探针;四通道可以同时使用4个单丝探针或2个 双丝探针;

2)                      通过485网络，系统可将多台CTA-04组成一套系统，最多可支持256通道同 时工作;

3)                      探头工作电阻范围为0.1-199.9欧姆，设置精度0.1欧姆;

4)                      输出调制电路具有偏置功能，可以对输出电压进行平移;

5)                      输出调制电路具有增益功能，设置5 挡增益，分别是1，2，4，8和16;

6)                      输出调制电路内置低通滤波器，设有7 个可切换的截止频率，分别是10kHz、 5kHz、 1kHz、500Hz、 100Hz、 10Hz 和1Hz。低通滤波器可关闭;

7)                      风速测试系统内置方波发生器，可产生用于测试频响的方波。方波频率1-5000Hz ，缺省值 为500Hz。

在DAQ16数采仪及CR系列标定器及CTALab软件的配合下，CTA-04系统可:

1)                      设定风速仪冷态电阻、工作温度;

2)                      调节系统动态平衡参数;

3)                      调节信号放大、偏置、低通滤波等输出信号的后处理参数;

4)                      自动标定风速与输出电压的函数关系;

5)                      设定采样率、采样数、数据储存文件目录、文件名等参数;

6)                      实现解析X型双丝探头、三丝探头测量等功能

图 1 电桥原理示意图

对比多孔探针

与毕托管、多孔探针等基于测压来测速的传统技术相比，热线风速仪的优势在于

1)                      动态测量能力

风速仪具备非常强的动态测量能力"不仅能测量平均速度，更能解析超 过100kHz的速度动态变化，可以准确解析各种尺度旋涡带来的速度变化，并 测量能谱、各种长度及时间尺度等重要湍流参数

2)                      近壁测量能力

因为探针的几何尺度很小，可靠近壁面解析近壁区域速度分布，进而获得湍 流边界层粘性低层的速度分布等重要信息，捕捉边界层内发生的各种动态事件

与毕托管及多孔探针相比，风速仪的弱点也很明显

1)                      投资相对大

风速仪售价大大高于毕托管等以测压为基础的风速测量仪器

2)                      系统更复杂

一套完整风速仪由主机、数采卡、标定器、探头等多个部件组成"与毕 托管测速系统相比更庞大、复杂"

3)                      探头易损

探针的核心部件是裸露的5微米直径金属丝，易氧化，轻触也可造成破损

4)                      对环境变化敏感

测量结果对温度变化非常敏感 (每摄氏度温变引起2%速度测量值变化)， 需要复杂的补偿算法进行修正，且补偿效果有限

5)                      探头需要经常标定，使用便利性差

风速仪需要设定冷态电阻、过热比、系统平衡参数，另外，需要进行方  波测试以获得最佳频响，风速仪需要依靠其他测速仪器 (如毕托管等) 进行标定，测量易受温度、湿度等多种因素的影响，传统的标定结果只  能在一定时间内有效，无法做到一次标定，长时间使用。

尽管具有以上弱点，因在动态测量方面的优势，风速仪依然被大量采用。

1.3    航风风速仪的特点与优势

与品牌风速仪相比，岳阳航风产品具有如下特点

(1) 航风风速仪具有后发优势，吸纳更新的电子技术，使系统更可靠;

(2) 独立开发了若干新测量技术，提高了易用性;

(3) 为用户提供更及时的技术支持，长期、可靠的售后服务;

(4) 可为用户提供免费的软件升级服务;

(5) 具有良好的性价比。

2.                      2    系统组成

表 1: 一套CTA04航风风速仪系统的标准配置

2.1  CTA04主机

标配产品，主机分为双通道和四通道两种，图2a或2-b一台电脑可以连 接多台主机，比如，一套六通道系统可以由一台四通道主机加一台双通道主 机组成，一套12通道系统由3台四通道主机组成，具体参数见表2

2.2  DAQ16 数据采集仪

标配产品。数采仪内置一台NI USB6211数据采集卡，图2-c 。具体参数见表3。除采集卡外，数采仪还内置一个压差传感器，测压范围±2.0kPa ，精度为量程的±0.1% ;

2.3  HW1A单丝探头

标配产品，见图2-d。该探头敏感单元为5μm直径钨丝、长约1.5mm。 探针 总长度 约90mm ，其 中头部双支架长度 约11mm ，探针主体长80mm、直径2.6mm。敏感单元通过焊接置于两个支架尖处，正对来流。探针尾部有两 根柔性导线，长约20cm。导线尾部为迷你香蕉头公头，通过CB02A 线与热 线风速仪Probe端口相连。

表 2: CTA04风速仪主机参数

表 3: DAQ16数采仪参数

2.4  CR04手动标定器

风速仪的输出为模拟电压，需要经过标定过程才能将电压信号转化为流速。标 定需要在一系列已知风速的环境下，记录电压输出的均值。通常要求标定环境湍流度小，即风速随时间变化不大。

CR04手动标定器的组成部分见图3， 细节见表4。它主要由如下几个部分组成

Ø                      CR04M手动标定器，图3a

射流装置出口直径15mm ，出口速度范围2-60 m/s ，湍流度小于0.5% ，静压  腔设有总压采集口。射流装置的背板是空气入口，通过塑料波纹管 (图3d) 连接至风机出 口。 射流装置下方设有测压孔，通过测压软管 (图3g， 内  径2mm硅胶软管)与DAQ16数采仪的标定器测压口 (图2c，H端)相连。射  流装置内设有整流装置，收缩段收缩比100:1。

Ø                      手动转台，图3a

手动转角机构，与射流装置安装成一体，探针轴向与射流方向偏角(Roll) 范 围±90o ，探针可绕轴向旋转角度(Cone)范围0 - 360o 。调节分辨率5o 。 角度 的定义见第K节;

Ø                      风机，图3c

高压风机一台，供电220VAC， 500W。

Ø                      变频器，图3b

用来控制风机转速。可在自动和手动定速两个模式下工作。设置方法见附录 第G节。

Ø                      定制电源线，图3e

连接风机、变频器及电源。线的一段为四接头，与风机相连 (长的黄绿先接 地，其他红绿黑三线接电机三相接头，通常已经接好);线的另一段为六线 接头接变频器，具体见第3.3节);

Ø                      变频器控制线，图3f

该线一端为BNC 接头，另一端为裸线。该线连接变频器 (FV ，GND插口) 与数据采集仪模拟电压输出 (AO)端口，用来控制风机转速。软件可以通  过AO 端口发送模拟电压 (0-10V)来控制转速，实现自动调节风速的自动  标定。变频器也可以设为手动模式，通过转动前面板上的电位器调节风机转速。具体操作见附录第G节。

2.5  TM02移测架

TM02移测架 (图4)是精确控制探头位置以辅助测量流场速度分布的工具，组成部分见表6。

Ø                      滑动模组

航风TM02模 组采 用双 线轨 丝杠滑 台方 案。 行程 范 围200-500mm ，定位 精度0.1mm/500mm。 水平 负载10kg ，垂直 负载5kg。 根据用户的 需求可 选1到3支。

Ø                      运动控制器，图4e与4d

内含三个独立工作的步进电机控制器。 与CR05 标定器的自动标定器通用 (可只采购一台)。运动控制器通过TypeC 数据线，图2h，连接电脑，并通过 步进电机控制线，(图4c)与步进电机相连。运动控制器接收电脑串口发出 的命令，控制步进电机做出相应的动作。

图 4:  一套典型的移测架由1台控制器、3台模组、导线及连接件组成

表 6: TM02移测架组成部分

3.                      3   附录

A    航风探头

航风提供了多种探头来满足客户的不同测量需求。其中,对常用的HW1A和HW2A探

头的描述见表1。绝对大多数客户会选择这两种探头。所有可选探头见表A.1。部分照片见图A.1。

图 A.1:  部分航风探头照片

表 A.1: 几款常用的航风探头

(a) HW1A

(b) HW1D

(c) HW2A

图 A.2:  主要几种探头几何尺寸

B    FTDI软件:串口线驱动程序

FTDI软件是驱动USB-串口通讯线路的重要软件。

下载后解压,并运行CDM v2.23.00 WHQL Certified.exe 文件,您将依次看到如下提示: 选择Extract 、确定、运行程序、Extract 、下一页、我接受、下一页、完成。具体过程  见图B.1。

图 B.1:  安装FTDI软件过程示例

FTDI驱动程序安装好之后,接好USB-串 口线ß打开电脑的设备管理器可以看到热线风速仪主机对应的串口设备号COM3  (该编号第一次设定后不会再变)，见图B.2

图 B.2:  FTDI软件安装后在“设备管理器” 中检查设备COM号

C    CTALab软件安装

CTALab软件是热线风速仪的重要组成部分,其安装过程见图C.1。该软件主要功 能包括:

•  通过串 口与热线风速仪主机通信,设置工作参数、开启关闭电桥、读取主机状 态;

•  指挥标定器对热线探头和热线通道进行标定;

•  与数据采集仪通信,设置采集参数,采集保存数据,显示主要统计量;

•  与移测架及转角机构通信,控制移测架位置及转角机构角度。