基于改进时差法的超声波测风系统研究
发布时间：2021-11-10 13:35
风速风向的精确测量,广泛应用于航海,建筑,环境监测,农业生产,风力发电以及气象预报和科学研究中。超声波测风是一种新型的风速测量方式,研究超声波测风仪系统误差和测量误差,分析各种误差的产生原因,减少测量误差,提高测量精度使测风仪达到实际测量要求,这些是超声波测风仪市场化应用的前提。现阶段超声波测风仪器因自身换能器频率、电压、功率、阵列结构的不同。所测量的风速量程,精度,准确度也不一样。传统的超声波测风仪在极端环境下因自身的结构原因有很多很多测量弊端。其中超声波探头对风的前进路线产生阻挡,继而在探头后面产生一片阴影区,探头前方产生湍流区,对风速测量准确性产生影响。为了弥补阴影效应的误差,在时差法的基础上拟合出单路径风速补偿算法,通过单路径风速补偿公式推导出超声波风速角度补偿公式,得到正交阵列模型的风速风向的阴影效应补偿算法。利用原始数据与阴影效应补偿公式进行拟合。观察到风速角度补偿函数与测量值的拟合效果良好,补偿后的风速误差由14.65%降低到1.74%。风速风向测量精度得到了提高。此外在硬件系统进行超声波时延测量时,如何得到正确的时延数据是一个难点。观察不同的风速下、不同的启动信号下超声...
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超声波传播距离与频率的关系图
第二章超声波测风阴影效应补偿算法研究7图2.2NU200E12TR的灵敏度曲线NU200E12TR是一款收发一体的工作频率200Khz超声波换能器，发射面直径1cm，质量50g左右。换能器接收电压驱动信号能够产生超声波，接收超声波也能产生振荡，并能将振荡转换成电压信号。如图2.2是该换能器的灵敏度曲线，图中所示该换能器在200K及250K左右时灵敏度最高，其他频率增益很低，当给换能器200k左右的信号时，换能器工作良好，其他频域的噪声降到很低。2.3二维正交测风阵列超声波测风不同于机械式测量方法，测量结构的优化可以极大的减小超声波测风结果受到阴影效应带来误差。其中超声波的阵列结构有很多种，包括4个换能器组成的二维正交阵列，6个换能器组成的3维正交阵列，以及6个换能器组成互成120度的3维阵列，还有二维弧形阵列。国外的学者对阵列结构也进行了一番研究，提出关于不同阵列的风速测量算法，但无论何种结构换能器都有自身缺陷，也可通过合理设计实现高精度测量。本文设计选用二维正交测风阵列。二维正交测风阵列模型是Cuerva,A和Sanz-Andres,A在1960年设计的经典的超声测风仪模型，其测量方式基于两个超声波换能器之间的超声脉冲的飞行时间。每个换能器作为发射器和接收器交替工作，在它们之间发送超声波脉冲。由超声波测风仪测量的风速由发送和接收过程期间的飞行时间的倒数之间的差确定[24]。这种类型的风速计广泛用于多种风力工程应用，如大气，气象，民用空气动力学和风力涡轮机。1973年kaimal研究此类超声波测风仪，发现测风仪的阴影效应受发射端到接收端
第二章超声波测风阴影效应补偿算法研究911()2yLttyyU2.3yxUUU2222.4将式（2.3）、式（2.4）带入式（2.5）式得风速U：112112()()2LUtxtxtyty2.5假设风速与x轴的夹角为θs，则风向为：11||cos112112()()txtxarcstxtxtyty2.6图2.4时差风速测量示意图公式如上方所示，可以计算出风速风向，风速风向与超声波在两条路径上传播时间有关，超声波自身速度无关。在实验中无需关系超声波速度变化带来的干扰。但在回波检测时超声波幅频特性受到环境的影响产生的变化会影响回波检测的精度，影响时延的确定。在第三章的电路设计中考虑了回波信号的幅频情况。（2.4节中的变量均代表风速和角度的测量值）2.5超声波阴影效应补偿算法在风正常前进中风速不会变化，当风经过传感器受到传感器阻挡在传感器背后产生阴影，在另一端的传感器前面产生湍流。路径上的测量风速Ux，Uy必然产生相应的变化。路径上风速测量的不准确带来整体时差法测量结果的偏差，对整个系统的测量结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Shandong Haitian Papermaking Machinery Co.,Ltd.[J]. Paper and Biomaterials. 2020(01)
[2]基于Fluent和LSTM神经网络的超声波测风仪阴影效应补偿研究[J]. 任晓晔,陈晓,郭妍. 计算机应用与软件. 2019(07)
[3]一种高速、高可靠性SPI接口设计[J]. 张成,李斌,曾晓东,史亭文. 信息通信. 2019(05)
[4]基于STM32单片机的智能搬运机器人的设计[J]. 黄钰深,张晓培,梁金耀,赵明,范碧纯. 科技视界. 2019(12)
[5]反激式开关电源的电磁兼容分析与研究[J]. 石静波. 科学技术创新. 2018(12)
[6]三维超声波换能器测风阵列研究[J]. 行鸿彦,吴红军,徐伟,魏佳佳. 仪器仪表学报. 2017(12)
[7]丽江机场地面风场特征及气象保障分析[J]. 代冰冰,王杰,孙亚林. 高原山地气象研究. 2016(01)
[8]超声测风传感器在回路风洞中的测试[J]. 黄敏,卢会国,王保强,刘俊宏. 气象科技. 2016(01)
[9]农田风蚀量随风速的变化[J]. 王仁德,肖登攀,常春平,郭中领. 中国沙漠. 2015(05)
[10]基于TDC—GP22的超声波热量表设计[J]. 李世光,刘超,白星振,高正中. 传感器与微系统. 2015(08)
硕士论文
[1]三维超声波测风系统中算法研究及其换能器阵列设计[D]. 吴红军.南京信息工程大学 2019
[2]基于NB-IoT技术的激光加工设备远程监控系统研究[D]. 朱行兵.华中科技大学 2019
[3]基于嵌入式与Android的智能家居系统的设计与实现[D]. 黄玉乾.大连交通大学 2018
[4]基于波束形成算法风速风向的测量研究[D]. 西继东.吉林大学 2018
[5]基于时差法的超声波测风仪设计[D]. 邢玉品.南京信息工程大学 2018
[6]超声测风阴影效应误差修正与测试系统研究[D]. 孙林峰.南京信息工程大学 2018
[7]基于高频超声的液体流量测量机理及方法研究[D]. 方宜兵.燕山大学 2016
[8]嵌入式低功耗超声波气体流量计设计[D]. 蔡清海.宁波大学 2015
[9]反激开关电源能量分析与电路设计[D]. 邹珍.武汉轻工大学 2013
[10]基于UC3842的多端反激式开关电源的设计与实现[D]. 朱晓曲.湖南大学 2013
本文编号：3487355
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超声波传播距离与频率的关系图
第二章超声波测风阴影效应补偿算法研究7图2.2NU200E12TR的灵敏度曲线NU200E12TR是一款收发一体的工作频率200Khz超声波换能器，发射面直径1cm，质量50g左右。换能器接收电压驱动信号能够产生超声波，接收超声波也能产生振荡，并能将振荡转换成电压信号。如图2.2是该换能器的灵敏度曲线，图中所示该换能器在200K及250K左右时灵敏度最高，其他频率增益很低，当给换能器200k左右的信号时，换能器工作良好，其他频域的噪声降到很低。2.3二维正交测风阵列超声波测风不同于机械式测量方法，测量结构的优化可以极大的减小超声波测风结果受到阴影效应带来误差。其中超声波的阵列结构有很多种，包括4个换能器组成的二维正交阵列，6个换能器组成的3维正交阵列，以及6个换能器组成互成120度的3维阵列，还有二维弧形阵列。国外的学者对阵列结构也进行了一番研究，提出关于不同阵列的风速测量算法，但无论何种结构换能器都有自身缺陷，也可通过合理设计实现高精度测量。本文设计选用二维正交测风阵列。二维正交测风阵列模型是Cuerva,A和Sanz-Andres,A在1960年设计的经典的超声测风仪模型，其测量方式基于两个超声波换能器之间的超声脉冲的飞行时间。每个换能器作为发射器和接收器交替工作，在它们之间发送超声波脉冲。由超声波测风仪测量的风速由发送和接收过程期间的飞行时间的倒数之间的差确定[24]。这种类型的风速计广泛用于多种风力工程应用，如大气，气象，民用空气动力学和风力涡轮机。1973年kaimal研究此类超声波测风仪，发现测风仪的阴影效应受发射端到接收端
第二章超声波测风阴影效应补偿算法研究911()2yLttyyU2.3yxUUU2222.4将式（2.3）、式（2.4）带入式（2.5）式得风速U：112112()()2LUtxtxtyty2.5假设风速与x轴的夹角为θs，则风向为：11||cos112112()()txtxarcstxtxtyty2.6图2.4时差风速测量示意图公式如上方所示，可以计算出风速风向，风速风向与超声波在两条路径上传播时间有关，超声波自身速度无关。在实验中无需关系超声波速度变化带来的干扰。但在回波检测时超声波幅频特性受到环境的影响产生的变化会影响回波检测的精度，影响时延的确定。在第三章的电路设计中考虑了回波信号的幅频情况。（2.4节中的变量均代表风速和角度的测量值）2.5超声波阴影效应补偿算法在风正常前进中风速不会变化，当风经过传感器受到传感器阻挡在传感器背后产生阴影，在另一端的传感器前面产生湍流。路径上的测量风速Ux，Uy必然产生相应的变化。路径上风速测量的不准确带来整体时差法测量结果的偏差，对整个系统的测量结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Shandong Haitian Papermaking Machinery Co.,Ltd.[J]. Paper and Biomaterials. 2020(01)
[2]基于Fluent和LSTM神经网络的超声波测风仪阴影效应补偿研究[J]. 任晓晔,陈晓,郭妍. 计算机应用与软件. 2019(07)
[3]一种高速、高可靠性SPI接口设计[J]. 张成,李斌,曾晓东,史亭文. 信息通信. 2019(05)
[4]基于STM32单片机的智能搬运机器人的设计[J]. 黄钰深,张晓培,梁金耀,赵明,范碧纯. 科技视界. 2019(12)
[5]反激式开关电源的电磁兼容分析与研究[J]. 石静波. 科学技术创新. 2018(12)
[6]三维超声波换能器测风阵列研究[J]. 行鸿彦,吴红军,徐伟,魏佳佳. 仪器仪表学报. 2017(12)
[7]丽江机场地面风场特征及气象保障分析[J]. 代冰冰,王杰,孙亚林. 高原山地气象研究. 2016(01)
[8]超声测风传感器在回路风洞中的测试[J]. 黄敏,卢会国,王保强,刘俊宏. 气象科技. 2016(01)
[9]农田风蚀量随风速的变化[J]. 王仁德,肖登攀,常春平,郭中领. 中国沙漠. 2015(05)
[10]基于TDC—GP22的超声波热量表设计[J]. 李世光,刘超,白星振,高正中. 传感器与微系统. 2015(08)
硕士论文
[1]三维超声波测风系统中算法研究及其换能器阵列设计[D]. 吴红军.南京信息工程大学 2019
[2]基于NB-IoT技术的激光加工设备远程监控系统研究[D]. 朱行兵.华中科技大学 2019
[3]基于嵌入式与Android的智能家居系统的设计与实现[D]. 黄玉乾.大连交通大学 2018
[4]基于波束形成算法风速风向的测量研究[D]. 西继东.吉林大学 2018
[5]基于时差法的超声波测风仪设计[D]. 邢玉品.南京信息工程大学 2018
[6]超声测风阴影效应误差修正与测试系统研究[D]. 孙林峰.南京信息工程大学 2018
[7]基于高频超声的液体流量测量机理及方法研究[D]. 方宜兵.燕山大学 2016
[8]嵌入式低功耗超声波气体流量计设计[D]. 蔡清海.宁波大学 2015
[9]反激开关电源能量分析与电路设计[D]. 邹珍.武汉轻工大学 2013
[10]基于UC3842的多端反激式开关电源的设计与实现[D]. 朱晓曲.湖南大学 2013
本文编号：3487355
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