風(fēng)速風(fēng)向的精確測(cè)量,廣泛應(yīng)用于航海,建筑,環(huán)境監(jiān)測(cè),農(nóng)業(yè)生產(chǎn),風(fēng)力發(fā)電以及氣象預(yù)報(bào)和科學(xué)研究中。超聲波測(cè)風(fēng)是一種新型的風(fēng)速測(cè)量方式,研究超聲波測(cè)風(fēng)儀系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差,分析各種誤差的產(chǎn)生原因,減少測(cè)量誤差,提高測(cè)量精度使測(cè)風(fēng)儀達(dá)到實(shí)際測(cè)量要求,這些是超聲波測(cè)風(fēng)儀市場(chǎng)化應(yīng)用的前提�，F(xiàn)階段超聲波測(cè)風(fēng)儀器因自身換能器頻率、電壓、功率、陣列結(jié)構(gòu)的不同。所測(cè)量的風(fēng)速量程,精度,準(zhǔn)確度也不一樣。傳統(tǒng)的超聲波測(cè)風(fēng)儀在極端環(huán)境下因自身的結(jié)構(gòu)原因有很多很多測(cè)量弊端。其中超聲波探頭對(duì)風(fēng)的前進(jìn)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(duì)風(fēng)速測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。為了彌補(bǔ)陰影效應(yīng)的誤差,在時(shí)差法的基礎(chǔ)上擬合出單路徑風(fēng)速補(bǔ)償算法,通過單路徑風(fēng)速補(bǔ)償公式推導(dǎo)出超聲波風(fēng)速角度補(bǔ)償公式,得到正交陣列模型的風(fēng)速風(fēng)向的陰影效應(yīng)補(bǔ)償算法。利用原始數(shù)據(jù)與陰影效應(yīng)補(bǔ)償公式進(jìn)行擬合。觀察到風(fēng)速角度補(bǔ)償函數(shù)與測(cè)量值的擬合效果良好,補(bǔ)償后的風(fēng)速誤差由14.65%降低到1.74%。風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量精度得到了提高。此外在硬件系統(tǒng)進(jìn)行超聲波時(shí)延測(cè)量時(shí),如何得到正確的時(shí)延數(shù)據(jù)是一個(gè)難點(diǎn)。觀察不同的風(fēng)速下、不同的啟動(dòng)信號(hào)下超聲... 

【文章來源】：南京信息工程大學(xué)江蘇省

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

超聲波傳播距離與頻率的關(guān)系圖

第二章超聲波測(cè)風(fēng)陰影效應(yīng)補(bǔ)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(zhì)量50g左右。換能器接收電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。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(shí)靈敏度最高，其他頻率增益很低，當(dāng)給換能器200k左右的信號(hào)時(shí)，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(cè)風(fēng)陣列超聲波測(cè)風(fēng)不同于機(jī)械式測(cè)量方法，測(cè)量結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以極大的減小超聲波測(cè)風(fēng)結(jié)果受到陰影效應(yīng)帶來誤差。其中超聲波的陣列結(jié)構(gòu)有很多種，包括4個(gè)換能器組成的二維正交陣列，6個(gè)換能器組成的3維正交陣列，以及6個(gè)換能器組成互成120度的3維陣列，還有二維弧形陣列。國(guó)外的學(xué)者對(duì)陣列結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了一番研究，提出關(guān)于不同陣列的風(fēng)速測(cè)量算法，但無論何種結(jié)構(gòu)換能器都有自身缺陷，也可通過合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。本文設(shè)計(jì)選用二維正交測(cè)風(fēng)陣列。二維正交測(cè)風(fēng)陣列模型是Cuerva,A和Sanz-Andres,A在1960年設(shè)計(jì)的經(jīng)典的超聲測(cè)風(fēng)儀模型，其測(cè)量方式基于兩個(gè)超聲波換能器之間的超聲脈沖的飛行時(shí)間。每個(gè)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(cè)風(fēng)儀測(cè)量的風(fēng)速由發(fā)送和接收過程期間的飛行時(shí)間的倒數(shù)之間的差確定[24]。這種類型的風(fēng)速計(jì)廣泛用于多種風(fēng)力工程應(yīng)用，如大氣，氣象，民用空氣動(dòng)力學(xué)和風(fēng)力渦輪機(jī)。1973年kaimal研究此類超聲波測(cè)風(fēng)儀，發(fā)現(xiàn)測(cè)風(fēng)儀的陰影效應(yīng)受發(fā)射端到接收端

第二章超聲波測(cè)風(fēng)陰影效應(yīng)補(bǔ)償算法研究911()2yLttyyU2.3yxUUU2222.4將式（2.3）、式（2.4）帶入式（2.5）式得風(fēng)速U：112112()()2LUtxtxtyty2.5假設(shè)風(fēng)速與x軸的夾角為θs，則風(fēng)向?yàn)椋?1||cos112112()()txtxarcstxtxtyty2.6圖2.4時(shí)差風(fēng)速測(cè)量示意圖公式如上方所示，可以計(jì)算出風(fēng)速風(fēng)向，風(fēng)速風(fēng)向與超聲波在兩條路徑上傳播時(shí)間有關(guān)，超聲波自身速度無關(guān)。在實(shí)驗(yàn)中無需關(guān)系超聲波速度變化帶來的干擾。但在回波檢測(cè)時(shí)超聲波幅頻特性受到環(huán)境的影響產(chǎn)生的變化會(huì)影響回波檢測(cè)的精度，影響時(shí)延的確定。在第三章的電路設(shè)計(jì)中考慮了回波信號(hào)的幅頻情況。（2.4節(jié)中的變量均代表風(fēng)速和角度的測(cè)量值）2.5超聲波陰影效應(yīng)補(bǔ)償算法在風(fēng)正常前進(jìn)中風(fēng)速不會(huì)變化，當(dāng)風(fēng)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(cè)量風(fēng)速Ux，Uy必然產(chǎn)生相應(yīng)的變化。路徑上風(fēng)速測(cè)量的不準(zhǔn)確帶來整體時(shí)差法測(cè)量結(jié)果的偏差，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果

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