風速風向的精確測量,廣泛應用于航海,建筑,環(huán)境監(jiān)測,農(nóng)業(yè)生產(chǎn),風力發(fā)電以及氣象預報和科學研究中。超聲波測風是一種新型的風速測量方式,研究超聲波測風儀系統(tǒng)誤差和測量誤差,分析各種誤差的產(chǎn)生原因,減少測量誤差,提高測量精度使測風儀達到實際測量要求,這些是超聲波測風儀市場化應用的前提�，F(xiàn)階段超聲波測風儀器因自身換能器頻率、電壓、功率、陣列結構的不同。所測量的風速量程,精度,準確度也不一樣。傳統(tǒng)的超聲波測風儀在極端環(huán)境下因自身的結構原因有很多很多測量弊端。其中超聲波探頭對風的前進路線產(chǎn)生阻擋,繼而在探頭后面產(chǎn)生一片陰影區(qū),探頭前方產(chǎn)生湍流區(qū),對風速測量準確性產(chǎn)生影響。為了彌補陰影效應的誤差,在時差法的基礎上擬合出單路徑風速補償算法,通過單路徑風速補償公式推導出超聲波風速角度補償公式,得到正交陣列模型的風速風向的陰影效應補償算法。利用原始數(shù)據(jù)與陰影效應補償公式進行擬合。觀察到風速角度補償函數(shù)與測量值的擬合效果良好,補償后的風速誤差由14.65%降低到1.74%。風速風向測量精度得到了提高。此外在硬件系統(tǒng)進行超聲波時延測量時,如何得到正確的時延數(shù)據(jù)是一個難點。觀察不同的風速下、不同的啟動信號下超聲... 

【文章來源】：南京信息工程大學江蘇省

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

超聲波傳播距離與頻率的關系圖

第二章超聲波測風陰影效應補償算法研究7圖2.2NU200E12TR的靈敏度曲線NU200E12TR是一款收發(fā)一體的工作頻率200Khz超聲波換能器，發(fā)射面直徑1cm，質量50g左右。換能器接收電壓驅動信號能夠產(chǎn)生超聲波，接收超聲波也能產(chǎn)生振蕩，并能將振蕩轉換成電壓信號。如圖2.2是該換能器的靈敏度曲線，圖中所示該換能器在200K及250K左右時靈敏度最高，其他頻率增益很低，當給換能器200k左右的信號時，換能器工作良好，其他頻域的噪聲降到很低。2.3二維正交測風陣列超聲波測風不同于機械式測量方法，測量結構的優(yōu)化可以極大的減小超聲波測風結果受到陰影效應帶來誤差。其中超聲波的陣列結構有很多種，包括4個換能器組成的二維正交陣列，6個換能器組成的3維正交陣列，以及6個換能器組成互成120度的3維陣列，還有二維弧形陣列。國外的學者對陣列結構也進行了一番研究，提出關于不同陣列的風速測量算法，但無論何種結構換能器都有自身缺陷，也可通過合理設計實現(xiàn)高精度測量。本文設計選用二維正交測風陣列。二維正交測風陣列模型是Cuerva,A和Sanz-Andres,A在1960年設計的經(jīng)典的超聲測風儀模型，其測量方式基于兩個超聲波換能器之間的超聲脈沖的飛行時間。每個換能器作為發(fā)射器和接收器交替工作，在它們之間發(fā)送超聲波脈沖。由超聲波測風儀測量的風速由發(fā)送和接收過程期間的飛行時間的倒數(shù)之間的差確定[24]。這種類型的風速計廣泛用于多種風力工程應用，如大氣，氣象，民用空氣動力學和風力渦輪機。1973年kaimal研究此類超聲波測風儀，發(fā)現(xiàn)測風儀的陰影效應受發(fā)射端到接收端

第二章超聲波測風陰影效應補償算法研究911()2yLttyyU2.3yxUUU2222.4將式（2.3）、式（2.4）帶入式（2.5）式得風速U：112112()()2LUtxtxtyty2.5假設風速與x軸的夾角為θs，則風向為：11||cos112112()()txtxarcstxtxtyty2.6圖2.4時差風速測量示意圖公式如上方所示，可以計算出風速風向，風速風向與超聲波在兩條路徑上傳播時間有關，超聲波自身速度無關。在實驗中無需關系超聲波速度變化帶來的干擾。但在回波檢測時超聲波幅頻特性受到環(huán)境的影響產(chǎn)生的變化會影響回波檢測的精度，影響時延的確定。在第三章的電路設計中考慮了回波信號的幅頻情況。（2.4節(jié)中的變量均代表風速和角度的測量值）2.5超聲波陰影效應補償算法在風正常前進中風速不會變化，當風經(jīng)過傳感器受到傳感器阻擋在傳感器背后產(chǎn)生陰影，在另一端的傳感器前面產(chǎn)生湍流。路徑上的測量風速Ux，Uy必然產(chǎn)生相應的變化。路徑上風速測量的不準確帶來整體時差法測量結果的偏差，對整個系統(tǒng)的測量結果

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Shandong Haitian Papermaking Machinery Co.,Ltd.[J].   Paper and Biomaterials. 2020(01)
[2]基于Fluent和LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡的超聲波測風儀陰影效應補償研究[J]. 任曉曄,陳曉,郭妍.  計算機應用與軟件. 2019(07)
[3]一種高速、高可靠性SPI接口設計[J]. 張成,李斌,曾曉東,史亭文.  信息通信. 2019(05)
[4]基于STM32單片機的智能搬運機器人的設計[J]. 黃鈺深,張曉培,梁金耀,趙明,范碧純.  科技視界. 2019(12)
[5]反激式開關電源的電磁兼容分析與研究[J]. 石靜波.  科學技術創(chuàng)新. 2018(12)
[6]三維超聲波換能器測風陣列研究[J]. 行鴻彥,吳紅軍,徐偉,魏佳佳.  儀器儀表學報. 2017(12)
[7]麗江機場地面風場特征及氣象保障分析[J]. 代冰冰,王杰,孫亞林.  高原山地氣象研究. 2016(01)
[8]超聲測風傳感器在回路風洞中的測試[J]. 黃敏,盧會國,王保強,劉俊宏.  氣象科技. 2016(01)
[9]農(nóng)田風蝕量隨風速的變化[J]. 王仁德,肖登攀,常春平,郭中領.  中國沙漠. 2015(05)
[10]基于TDC—GP22的超聲波熱量表設計[J]. 李世光,劉超,白星振,高正中.  傳感器與微系統(tǒng). 2015(08)

碩士論文
[1]三維超聲波測風系統(tǒng)中算法研究及其換能器陣列設計[D]. 吳紅軍.南京信息工程大學 2019
[2]基于NB-IoT技術的激光加工設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]. 朱行兵.華中科技大學 2019
[3]基于嵌入式與Android的智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 黃玉乾.大連交通大學 2018
[4]基于波束形成算法風速風向的測量研究[D]. 西繼東.吉林大學 2018
[5]基于時差法的超聲波測風儀設計[D]. 邢玉品.南京信息工程大學 2018
[6]超聲測風陰影效應誤差修正與測試系統(tǒng)研究[D]. 孫林峰.南京信息工程大學 2018
[7]基于高頻超聲的液體流量測量機理及方法研究[D]. 方宜兵.燕山大學 2016
[8]嵌入式低功耗超聲波氣體流量計設計[D]. 蔡清海.寧波大學 2015
[9]反激開關電源能量分析與電路設計[D]. 鄒珍.武漢輕工大學 2013
[10]基于UC3842的多端反激式開關電源的設計與實現(xiàn)[D]. 朱曉曲.湖南大學 2013



本文編號：3487355