隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速推進(jìn),環(huán)境問題的日趨嚴(yán)峻和化石能源的日益枯竭都在警醒人類需要在自然界尋找可再生能源來替代化石能源。可再生能源中風(fēng)能資源因其儲量大、二氧化碳排放量低等優(yōu)點(diǎn),成為目前眾多可再生能源中發(fā)展速度最快的一種。風(fēng)能不但可以作為可再生能源造福人類,而且對風(fēng)能的有效觀測在環(huán)境監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)中也有很重要的作用。同時風(fēng)速風(fēng)向作為氣象監(jiān)測的主要要素,對它們的實(shí)時掌握,不僅能夠給氣象監(jiān)測提供有利的數(shù)據(jù),而且還可以及時準(zhǔn)確地掌握風(fēng)信息的變化情況,對氣象監(jiān)測以及預(yù)防事故的發(fā)生有著十分重要的意義。因此,制備測量精度高,性能穩(wěn)定的測風(fēng)儀器顯得尤為重要。超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器憑借其不會產(chǎn)生機(jī)械磨損和擁有較高測量精度等優(yōu)勢,成為風(fēng)速風(fēng)向測量儀器研究的一個發(fā)展方向。本文通過對多種測風(fēng)技術(shù)的對比,概括了幾種常用測量方法的優(yōu)缺點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種時差法超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量傳感器。同時根據(jù)時差法原理,設(shè)計了測量風(fēng)速風(fēng)向的模型,隨后對超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量公式進(jìn)行推導(dǎo)。在硬件電路方面,本文采用了模塊化設(shè)計,選擇了低功耗的STM32作為處理芯片的同時設(shè)計了外圍電路,隨后選取了200KHz的超聲波換能器,設(shè)計了超聲波... 

【文章來源】：齊魯工業(yè)大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：82 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

部分國內(nèi)外超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量儀器照片

?頤切枰?忍驕可?ǖ囊恍┨匭浴?聲波是聲音的一種傳播形式，由物體在氣體或其他介質(zhì)中的振動產(chǎn)生[36]。次聲波是聲波的一種，通常指振動頻率小于20Hz的聲波，其波長較長且振動頻率較慢。雖然我們的耳朵聽不到它，但其傳播距離很遠(yuǎn)，對人的危害也很大。通常人類的耳朵能聽到的聲音是指頻率大多在20Hz~20KHz之間的聲波，這個區(qū)間的聲波也被稱為可聞聲。當(dāng)聲波頻率上限超過20KHz時，就會超過大部分人類耳朵的可聽性極限，我們把頻率上限超過20KHz的聲波統(tǒng)稱為超聲波。當(dāng)超聲波的頻率大于108Hz時稱為超高頻聲波。聲波頻率分界如圖2.1所示。圖2.1聲波頻率分界圖（單位：Hz）超聲波作為聲波的一種，有著不同于一般聲波的優(yōu)良特性：（1）束射特性：超聲波的能量相對集中并且數(shù)值較高，得益于超聲波能量有良好的方向性。（2）吸收特性：傳播介質(zhì)能夠吸收超聲波的能量，且介質(zhì)吸收能量的能力會隨著超聲波頻率的增高而越來越大。（3）傳遞能力特性：超聲波在介質(zhì)中振動時會帶動介質(zhì)中的分子一起振動，并且兩者的振動頻率一致。超聲波振動的越快，介質(zhì)中的分子就會得到越大的能量。因而超聲波的頻率越高，所蘊(yùn)含的能量就越高�；诔暡ǖ囊陨咸匦裕１粦�(yīng)用于測距、定位等技術(shù)，同時是各類檢測技術(shù)的物理基矗由于介質(zhì)對能量有吸收作用，因此當(dāng)聲音在所有介質(zhì)中傳播時能量出現(xiàn)損失的現(xiàn)象就是聲衰減。通俗地說，這種現(xiàn)象在所有的聲波中都會出現(xiàn)，因此當(dāng)超聲波在媒介中傳播時也會出現(xiàn)這種衰減。通常在我們研究超聲波與媒介兩者之間衰減關(guān)系的時候，往往只關(guān)注吸收衰減和散射衰減這兩種形式。當(dāng)平面波沿x方向傳播時，聲壓與聲音傳播距離x的變化可以用下式表示：1xPPe=（2.1）

第2章超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量基本原理8式中，P1表示聲源處聲壓，表示離聲源距離x處聲壓，為一個系數(shù)常量，代表超聲波衰減系數(shù)。聲強(qiáng)變化表達(dá)式為：21xIIe=（2.2）式中，1為聲源處聲強(qiáng)，I為距聲源x處聲強(qiáng)。其中衰減系數(shù)由吸收衰減系數(shù)和散射衰減系數(shù)組成，即：as=+（2.3）上式中，∝2，∝2，為超聲波頻率。圖2.2空氣中超聲波傳播距離和頻率關(guān)系由式(2.1)、(2.2)和圖2.2可以得出，頻率對超聲波的衰減有著至關(guān)重要的作用，即超聲波頻率與衰減系數(shù)和衰減速度成正比[37]。此外，溫度變化也會影響超聲波傳播速度的變化，空氣中的環(huán)境溫度對超聲波傳播速率的影響可以用下列公式表示：0c=c1+T/273.16(2.4)其中，c表示超聲波在環(huán)境中無風(fēng)時的傳播速度；T為環(huán)境溫度，單位用攝氏度(℃)表示；當(dāng)溫度為0℃是，聲速c0=331.45m/s。2.1.2超聲波換能器超聲波無論是在發(fā)射過程還是在接收過程都需要由一種特定的裝置完成，該裝置就是超聲波換能器。顧名思義，換能器是這樣一種將能量進(jìn)行不同形式轉(zhuǎn)換

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號：3034332