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

【文章來源】：齊魯工業(yè)大學山東省

【文章頁數】：82 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

部分國內外超聲波風速風向測量儀器照片

?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中的振動產生[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，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：傳播介質能夠吸收超聲波的能量，且介質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：超聲波在介質中振動時會帶動介質中的分子一起振動，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，所蘊含的能量就越高�；诔暡ǖ囊陨咸匦�，常被應用于測距、定位等技術，同時是各類檢測技術的物理基矗由于介質對能量有吸收作用，因此當聲音在所有介質中傳播時能量出現(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系的時候，往往只關注吸收衰減和散射衰減這兩種形式。當平面波沿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章超聲波風速風向測量基本原理8式中，P1表示聲源處聲壓，表示離聲源距離x處聲壓，為一個系數常量，代表超聲波衰減系數。聲強變化表達式為：21xIIe=（2.2）式中，1為聲源處聲強，I為距聲源x處聲強。其中衰減系數由吸收衰減系數和散射衰減系數組成，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重要的作用，即超聲波頻率與衰減系數和衰減速度成正比[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)境中無風時的傳播速度；T為環(huán)境溫度，單位用攝氏度(℃)表示；當溫度為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行不同形式轉換

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3034332