风言风语之五——参数解读-测试范围

近日气象预警，本月12、13日两天将有数十年不遇的飓风侵袭，将会大面积影响大家周末出行，无奈只能留家避风。值此闲暇之余，我们继续风的话题。本文开始，我们开启关于风速传感器的另一个重要板块的探讨——有关风速传感器技术参数的解读。

关于热式风速传感器的技术参数

     热式风速传感器相关技术参数较多，有“测试范围”、“测试精度”、“分辨率”、“供电电压”、“通信方式”、“防护等级”、“年衰减度”、“使用寿命”等等……。技术参数是评价传感器性能的重要依据，也是用户选择风速传感器的主要参考。同时，技术参数更是决定传感器价格的主要因素之一！那么这么多的参数，要想在选择和使用风速传感器中做到客观理性、识诈避坑，确实不是一件易事！

关于参数虚标

       在当前的科学仪器及传感器行业，如众多其他行业一样，早已卷的血雨腥风！市场上大量充斥着价格超低、指标超 “高”、宣传超“牛”的产品，实则是给用户预埋了很多坑，让人防不胜防。正是部分商家肆无忌惮的虚假宣传、参数肆意虚标的行为，不仅给广大用户带来了极大的困扰和利益损害，也极大地损害了本土传感器行业的信誉和形象。而与此同时，对于大多数用户而言，由于缺乏相关知识，且基本都不具备验证产品指标真实性的条件，所以也就总是不断的避阱入坑、频频中招。

       虚假宣传、参数虚标，已然成为了科学仪器行业难以去除的 “牛皮癣”。面对相对混乱的市场环境，要求人人都练就一双 “火眼金睛”，去准确甄别产品的优劣显然不现实。但对基础的技术参数的概念、背景知识的了解是必要的。建通科技作为超20年自主研发仪器传感器科技企业，亦深受无序竞争、恶意侵权之害久矣！这里，和大家一起逐个解剖各项重要指标参数，深入探讨一下各参数的特征特点。望能为大家在后续的风速传感器选用当中有所帮助，为能够正确选型、防诈避坑提供一些有价值的参考信息！今天我们就先从最主要指标之一——“测试范围”说起！

测试范围

      风速传感器的测试范围不难理解，即指传感器可测试风速上下限之间的整个区间。顾名思义测试范围的下限是指传感器能够可靠检测到的较低风速；上限则是指在不损坏传感器且能保证测量精度在规定范围内的最高风速。比如，一款热式风速传感器的测量范围是 0.05～10m/s，意味着它能准确测量不低于 0.05m/s 且不高于 10m/s 的风速。

      对于热式风速传感器，其测试范围的大小，是由其测试原理决定的。热式风速是基于热传递原理工作的，当气流流过传感器的发热元件时，会带走热量，通过测量发热元件的温度变化或热量损失，从而得出风速。由以上原理可以看出，宽的测试范围，往往需要较大的加热功率、较宽的响应特性方可实现。范围越宽，对探头和电路的要求也就更高。所以一般来说，测量范围越宽的热式风速传感器，其成本也就越高。

     上述可见，确定风速传感器的测试范围其实就是要确定传感器可测试的上下限。而讲传感器可测试的上下限值，就又不得不结合风速传感器研发生产必要的校准装置——风洞来一起探讨。

风洞与测试上下限

       作为风速传感器自主生产厂家，拥有性能稳定、技术指标符合相关标准的风洞，是需必要的基础条件。就如你从某个商家点了个外卖，他连个厨房都没有，却声称他所供的食物是符合卫生标准的，能信吗？但我们知道，当前这样的商家却不在少数。所以，是否有专业的风洞装置以及风洞性能是否达标，决定了一个风速传感器厂商所供产品能否达到指标要求。

我们先了解一下风洞与风速传感器可测试下限值关系：

      因空气对流的特性，在发热的风速探头表面附近的空气是不会静止不动的，即不会是绝对的零风速。相关实验研究证明，在封闭稳定不受干扰的实验室环境中，常温下热式风速探头表面自然对流产生的空气流速约0.006m/s左右（不同探头温度不同，对流值会有所不同）。但在实际中，这样的环境是很少的，空气自身的扰动产生背景噪声往往都会远大于0.01m/s，所以准确测试如此低的风速几乎是不可能的。同时，这么低的风速，传统风洞也是无法模拟出来的，只能通过相对运动的逆向型“风洞”来实现。即采用传感器在直线或圆形轨道上按设定速度运动来实现风速模拟，下面了解一下该实验室的相关背景。

       为实现更低风速的测试，世界各国先后建立了超低风速风洞。典型的有20世纪60年代英国NPL研发了旋臂机校准风速仪；意大利INRIM在地下实验室建立了微风速标准装置；日本NMIJ利用长105 m的地下隧道建立了相对法的微风速计量标；近年来我国中国计量科学研究院在基地深度8．3 m的地下实验室建也建有83 m直线导轨，该实验空间有良好的温度分布，利用现有的基础设施搭建了第一套微风速校准风洞。由于地下隧道良好的温场分布，使得微风速下风速仪的校准将干扰减少到较低。但国家院的这个实验室不对外提供校准服务，仅用于科研和基准。

      在实际计量校准中，目前可通过LDV测试到0.1m/s是经过众多实验验证可信度较高的下限值，但由于LDV在测量流速时，必须在流体中散播散射粒子，而散射粒子在低速流动下的跟随性无法得到有效的量化验证，因此LDV在测量小于0.1m/s微风速时的准确度水平也会遭到质疑。综合上述内容，从计量严谨的角度出发，目前国家计量院及大多数地方计量机构，在民品校准服务上，能出具正式测试报告的可测下限值一般不低于0.2m/s。

      所以，一般风速传感器制造厂商，如标注下限可测试到低于0.01m/s是不符合热式风速探头物理特性的；标注下限可测试到低于0.05m/s也是可信度较低的，一是目前这样的基准无处溯源，二是这样的风速场大部分普通厂商是没有条件模拟的。建通科技目前可测试下限做到0.05m/s，是基于公司建设有自己的旋臂风洞设备，该设备可稳定模拟0.05-0.1m/s的风速，该微小风速段也通过了计量送检标准风速传感器的特性曲线进行的延展计算验证。此外，建通科技和中国计量科学研究院长期有良好的合作关系，在≥0.1m/s的范围内，溯源标准都能保证来自于国家计量院。

       关于风洞和测试上限：对于热式风速传感器，其散热功率不仅与风速有关，同时，也极大受环境温度的影响。所以，热式风速传感器的可测试上限，一般不会太高。目前，能见到的热式风速传感器最高测量风速100m/s左右。还有一种用钨丝特制的热线风速传感器，因钨丝在空气当中400摄氏度以上才发生轻微氧化，所以可以加热到较高温度。使得这种热线式风速探头可达亚音速300m/s。当然这类传感器制造困难，价格也较高，仅适用于科研级，不具有普及性。最常见的热式风速上限一般30m/s左右。目前大多数计量机构，包括国家计量院、中国气象局、中国建筑科学研究院等的检测中心，可提供测试服务的上限一般都不高于30m/s，也足以证明其普遍性。当然，高于40m/s的风洞，其功率、综合性能非普通风洞所能满足，造价也会大幅增加，对于多数厂家的是一种实力考验。总之，厂商所宣传风速上限可达到多少，前提是其是否具备相应规格的风洞设备，否则就是“鞋上去了脚没上去”，逗人玩儿！

做个小结：

     目前风速传感器可测下限在0.1m/s可信度是比较高的，计量机构可出具报告的下限则在0.2m/s以上；即多数计量机构和可提供检测服务的范围：0.2-30m/s；在行业计量所，如航天等单位有的可提供40m/s甚至60m/s的校准，但严格来讲只是具备测试能力溯源是无法溯到国家计量机构。

至于选型中如何避坑，似乎也没有什么偏方，只能下猛药：