風(fēng)速的測(cè)量是空氣動(dòng)力學(xué)及相關(guān)學(xué)科研究的基礎(chǔ)之一。當(dāng)前使用的風(fēng)速儀種類(lèi)繁多,工作原理和性能也都不相同。風(fēng)速與溫度的相關(guān)性比較強(qiáng),溫度是特別難以精確測(cè)量的量,超聲波時(shí)差法可以消除空氣中溫度的影響。本文以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種利用超聲波時(shí)差法測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量系統(tǒng)為目標(biāo),對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)、超聲波回波數(shù)據(jù)采集、時(shí)差提取方法等內(nèi)容進(jìn)行研究。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀硬件電路主要包括三個(gè)部分:主控模塊、發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊、回波調(diào)理模塊。主控模塊采用DSP+FPGA架構(gòu),DSP負(fù)責(zé)時(shí)差提取、測(cè)量控制、與上位機(jī)通信等,FPGA配合DSP控制方波激勵(lì)、通道選擇、采集控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等,并用12位高精度ADC做數(shù)字采集。發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊將方波信號(hào)通過(guò)通道切換芯片選通后,升壓至300Vpp,激勵(lì)換能器發(fā)射超聲波信號(hào)�；夭ㄕ{(diào)理模塊應(yīng)用電荷放大器將換能器電荷信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷蹼妷盒盘?hào),程控放大器將其放大用于數(shù)字采集。設(shè)計(jì)合理適用的儀器結(jié)構(gòu),可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)傳感器距離。根據(jù)結(jié)構(gòu)建立風(fēng)速風(fēng)向解算的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)時(shí)差提取算法,根據(jù)回波信號(hào)性質(zhì)提出一種基于可變閾值過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的回波到時(shí)算法。詳細(xì)設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)主程序和與上位機(jī)的通信協(xié)議。本文還分析了超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的誤差來(lái)源,依據(jù)誤差的不同分類(lèi)設(shè)計(jì)不同的誤差校正算法。結(jié)合結(jié)構(gòu)加工和安裝誤差,推導(dǎo)矩陣擬合校正算法。本文研制了基于時(shí)差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀樣機(jī),搭建測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用儀器對(duì)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分別在實(shí)驗(yàn)室和風(fēng)洞進(jìn)行了測(cè)量,和TSI熱線儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:超聲波樣機(jī)在低風(fēng)速情況下,測(cè)量準(zhǔn)確度較高,風(fēng)速測(cè)量精度為0.1m/s,分辨率為0.01m/s,風(fēng)向測(cè)量精度為1°;與TSI熱線儀對(duì)比發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果平均值相同,但是標(biāo)準(zhǔn)差比較大。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TB559;TH765.4
【部分圖文】：

相風(fēng)銅烏和候風(fēng)旗寶船

圖2-1時(shí)差法測(cè)速原理圖

主控模塊FPGA設(shè)計(jì)框圖
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2883229