基于时差法的超声波测量模型设计与仿真
发布时间：2021-02-15 03:15
随着工业现代化的快速推进,环境问题的日趋严峻和化石能源的日益枯竭都在警醒人类需要在自然界寻找可再生能源来替代化石能源。可再生能源中风能资源因其储量大、二氧化碳排放量低等优点,成为目前众多可再生能源中发展速度最快的一种。风能不但可以作为可再生能源造福人类,而且对风能的有效观测在环境监测和防灾减灾中也有很重要的作用。同时风速风向作为气象监测的主要要素,对它们的实时掌握,不仅能够给气象监测提供有利的数据,而且还可以及时准确地掌握风信息的变化情况,对气象监测以及预防事故的发生有着十分重要的意义。因此,制备测量精度高,性能稳定的测风仪器显得尤为重要。超声波风速风向传感器凭借其不会产生机械磨损和拥有较高测量精度等优势,成为风速风向测量仪器研究的一个发展方向。本文通过对多种测风技术的对比,概括了几种常用测量方法的优缺点,并在此基础上构建了一种时差法超声波风速风向测量传感器。同时根据时差法原理,设计了测量风速风向的模型,随后对超声波风速风向测量公式进行推导。在硬件电路方面,本文采用了模块化设计,选择了低功耗的STM32作为处理芯片的同时设计了外围电路,随后选取了200KHz的超声波换能器,设计了超声波...
【文章来源】：齐鲁工业大学山东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
部分国内外超声波风速风向测量仪器照片
?颐切枰?忍骄可?ǖ囊恍┨匦浴?声波是声音的一种传播形式，由物体在气体或其他介质中的振动产生[36]。次声波是声波的一种，通常指振动频率小于20Hz的声波，其波长较长且振动频率较慢。虽然我们的耳朵听不到它，但其传播距离很远，对人的危害也很大。通常人类的耳朵能听到的声音是指频率大多在20Hz~20KHz之间的声波，这个区间的声波也被称为可闻声。当声波频率上限超过20KHz时，就会超过大部分人类耳朵的可听性极限，我们把频率上限超过20KHz的声波统称为超声波。当超声波的频率大于108Hz时称为超高频声波。声波频率分界如图2.1所示。图2.1声波频率分界图（单位：Hz）超声波作为声波的一种，有着不同于一般声波的优良特性：（1）束射特性：超声波的能量相对集中并且数值较高，得益于超声波能量有良好的方向性。（2）吸收特性：传播介质能够吸收超声波的能量，且介质吸收能量的能力会随着超声波频率的增高而越来越大。（3）传递能力特性：超声波在介质中振动时会带动介质中的分子一起振动，并且两者的振动频率一致。超声波振动的越快，介质中的分子就会得到越大的能量。因而超声波的频率越高，所蕴含的能量就越高。基于超声波的以上特性，常被应用于测距、定位等技术，同时是各类检测技术的物理基矗由于介质对能量有吸收作用，因此当声音在所有介质中传播时能量出现损失的现象就是声衰减。通俗地说，这种现象在所有的声波中都会出现，因此当超声波在媒介中传播时也会出现这种衰减。通常在我们研究超声波与媒介两者之间衰减关系的时候，往往只关注吸收衰减和散射衰减这两种形式。当平面波沿x方向传播时，声压与声音传播距离x的变化可以用下式表示：1xPPe=（2.1）
第2章超声波风速风向测量基本原理8式中，P1表示声源处声压，表示离声源距离x处声压，为一个系数常量，代表超声波衰减系数。声强变化表达式为：21xIIe=（2.2）式中，1为声源处声强，I为距声源x处声强。其中衰减系数由吸收衰减系数和散射衰减系数组成，即：as=+（2.3）上式中，∝2，∝2，为超声波频率。图2.2空气中超声波传播距离和频率关系由式(2.1)、(2.2)和图2.2可以得出，频率对超声波的衰减有着至关重要的作用，即超声波频率与衰减系数和衰减速度成正比[37]。此外，温度变化也会影响超声波传播速度的变化，空气中的环境温度对超声波传播速率的影响可以用下列公式表示：0c=c1+T/273.16(2.4)其中，c表示超声波在环境中无风时的传播速度；T为环境温度，单位用摄氏度(℃)表示；当温度为0℃是，声速c0=331.45m/s。2.1.2超声波换能器超声波无论是在发射过程还是在接收过程都需要由一种特定的装置完成，该装置就是超声波换能器。顾名思义，换能器是这样一种将能量进行不同形式转换
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维超声波风速测量仪主控电路系统设计与实现[J]. 胡曼青,刘小河,张伟. 中国测试. 2020(03)
[2]风向分辨率及零位误差对船舶真风解算误差影响研究[J]. 李志乾,宫永翔,漆随平,胡桐,于宏波,王东明. 山东科学. 2018(04)
[3]超声波频差法流量计关键技术研究[J]. 宋汐瑾,张丽娟. 信息记录材料. 2018(04)
[4]超声波风速风向测量装置的原理及应用[J]. 宋文灿,傅绍帅. 电子质量. 2016(06)
[5]基于超声波风速风向测速算法研究[J]. 帅师师,王露,方鑫,陈洋,刘泽. 压电与声光. 2015(03)
[6]基于三维超声风速风向仪的高精度数据测量方法[J]. 吴有恒,荣海春. 西安航空学院学报. 2015(03)
[7]中国风能资源储量与分布[J]. 地球. 2015(01)
[8]低功耗超声波风向风速传感器设计[J]. 杜伟略,谈向萍. 测控技术. 2013(09)
[9]基于小波的植物电信号降噪方法研究[J]. 高翔,习岗,刘锴,刘青. 西安理工大学学报. 2013(01)
[10]三维超声波测风仪原理与应用[J]. 张捷光,齐文新,齐宇. 计算机与数字工程. 2013(01)
硕士论文
[1]全球风能资源时空分布特征及开发潜力评价[D]. 马敏杰.电子科技大学 2018
[2]基于TDC-GP22与相关法高精度超声波流量计的研制[D]. 高岩峰.中国计量大学 2016
[3]基于超声波的风速风向测量研究[D]. 陆健.南京信息工程大学 2015
[4]基于超声波风速风向测量的研究与实现[D]. 国红玉.济南大学 2014
[5]基于ARM的超声测风仪研究与设计[D]. 石佳.沈阳理工大学 2013
[6]超声波涡街风速计的研究及理论分析[D]. 朱徐立.厦门大学 2008
[7]基于ARM的超声波风速测量系统设计[D]. 金晶.南京信息工程大学 2008
[8]对于提高压电超声换能器阵指向性的研究[D]. 朱晓黎.华中科技大学 2007
[9]气介型压电超声传感器的研制[D]. 吴诚.华中科技大学 2007
本文编号：3034332
【文章来源】：齐鲁工业大学山东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
部分国内外超声波风速风向测量仪器照片
?颐切枰?忍骄可?ǖ囊恍┨匦浴?声波是声音的一种传播形式，由物体在气体或其他介质中的振动产生[36]。次声波是声波的一种，通常指振动频率小于20Hz的声波，其波长较长且振动频率较慢。虽然我们的耳朵听不到它，但其传播距离很远，对人的危害也很大。通常人类的耳朵能听到的声音是指频率大多在20Hz~20KHz之间的声波，这个区间的声波也被称为可闻声。当声波频率上限超过20KHz时，就会超过大部分人类耳朵的可听性极限，我们把频率上限超过20KHz的声波统称为超声波。当超声波的频率大于108Hz时称为超高频声波。声波频率分界如图2.1所示。图2.1声波频率分界图（单位：Hz）超声波作为声波的一种，有着不同于一般声波的优良特性：（1）束射特性：超声波的能量相对集中并且数值较高，得益于超声波能量有良好的方向性。（2）吸收特性：传播介质能够吸收超声波的能量，且介质吸收能量的能力会随着超声波频率的增高而越来越大。（3）传递能力特性：超声波在介质中振动时会带动介质中的分子一起振动，并且两者的振动频率一致。超声波振动的越快，介质中的分子就会得到越大的能量。因而超声波的频率越高，所蕴含的能量就越高。基于超声波的以上特性，常被应用于测距、定位等技术，同时是各类检测技术的物理基矗由于介质对能量有吸收作用，因此当声音在所有介质中传播时能量出现损失的现象就是声衰减。通俗地说，这种现象在所有的声波中都会出现，因此当超声波在媒介中传播时也会出现这种衰减。通常在我们研究超声波与媒介两者之间衰减关系的时候，往往只关注吸收衰减和散射衰减这两种形式。当平面波沿x方向传播时，声压与声音传播距离x的变化可以用下式表示：1xPPe=（2.1）
第2章超声波风速风向测量基本原理8式中，P1表示声源处声压，表示离声源距离x处声压，为一个系数常量，代表超声波衰减系数。声强变化表达式为：21xIIe=（2.2）式中，1为声源处声强，I为距声源x处声强。其中衰减系数由吸收衰减系数和散射衰减系数组成，即：as=+（2.3）上式中，∝2，∝2，为超声波频率。图2.2空气中超声波传播距离和频率关系由式(2.1)、(2.2)和图2.2可以得出，频率对超声波的衰减有着至关重要的作用，即超声波频率与衰减系数和衰减速度成正比[37]。此外，温度变化也会影响超声波传播速度的变化，空气中的环境温度对超声波传播速率的影响可以用下列公式表示：0c=c1+T/273.16(2.4)其中，c表示超声波在环境中无风时的传播速度；T为环境温度，单位用摄氏度(℃)表示；当温度为0℃是，声速c0=331.45m/s。2.1.2超声波换能器超声波无论是在发射过程还是在接收过程都需要由一种特定的装置完成，该装置就是超声波换能器。顾名思义，换能器是这样一种将能量进行不同形式转换
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维超声波风速测量仪主控电路系统设计与实现[J]. 胡曼青,刘小河,张伟. 中国测试. 2020(03)
[2]风向分辨率及零位误差对船舶真风解算误差影响研究[J]. 李志乾,宫永翔,漆随平,胡桐,于宏波,王东明. 山东科学. 2018(04)
[3]超声波频差法流量计关键技术研究[J]. 宋汐瑾,张丽娟. 信息记录材料. 2018(04)
[4]超声波风速风向测量装置的原理及应用[J]. 宋文灿,傅绍帅. 电子质量. 2016(06)
[5]基于超声波风速风向测速算法研究[J]. 帅师师,王露,方鑫,陈洋,刘泽. 压电与声光. 2015(03)
[6]基于三维超声风速风向仪的高精度数据测量方法[J]. 吴有恒,荣海春. 西安航空学院学报. 2015(03)
[7]中国风能资源储量与分布[J]. 地球. 2015(01)
[8]低功耗超声波风向风速传感器设计[J]. 杜伟略,谈向萍. 测控技术. 2013(09)
[9]基于小波的植物电信号降噪方法研究[J]. 高翔,习岗,刘锴,刘青. 西安理工大学学报. 2013(01)
[10]三维超声波测风仪原理与应用[J]. 张捷光,齐文新,齐宇. 计算机与数字工程. 2013(01)
硕士论文
[1]全球风能资源时空分布特征及开发潜力评价[D]. 马敏杰.电子科技大学 2018
[2]基于TDC-GP22与相关法高精度超声波流量计的研制[D]. 高岩峰.中国计量大学 2016
[3]基于超声波的风速风向测量研究[D]. 陆健.南京信息工程大学 2015
[4]基于超声波风速风向测量的研究与实现[D]. 国红玉.济南大学 2014
[5]基于ARM的超声测风仪研究与设计[D]. 石佳.沈阳理工大学 2013
[6]超声波涡街风速计的研究及理论分析[D]. 朱徐立.厦门大学 2008
[7]基于ARM的超声波风速测量系统设计[D]. 金晶.南京信息工程大学 2008
[8]对于提高压电超声换能器阵指向性的研究[D]. 朱晓黎.华中科技大学 2007
[9]气介型压电超声传感器的研制[D]. 吴诚.华中科技大学 2007
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