基于互相关的小型化低功耗超声波风速风向仪设计

超声波风速风向仪具有无转动部件,响应快,精度高的优点,但体积大、功耗高、成本高成为限制超声波风速风向仪广泛使用的主要因素。为了便于超声波风速风向仪的推广和使用,本文采用国产FPGA(Field Programmable Gate Array)并结合FIR(Finite Impulse Respond)滤波器以及互相关检测算法设计了一款超声波风速风向仪,探头之间的距离仅为80 mm,感风面积仅为传统超声波风的1/10,使得省级风洞均可计量检定。整机经过风洞实测,每秒钟可完成50次风速风向测量,在0~5 m/s时风速最大测量误差为±0.3 m/s,5~20 m/s时风速最大测量误差为±0.5 m/s,20~30 m/s风速测量最大误差为±5%,稳定风速下风向测量最大误差为±1°以内,总功耗为0.2 W(仅为传统超声波风功耗的1/20)。通过实测数据发现,FPGA结合数字滤波及互相关检测算法相比于传统的DSP(Digital Signal Processor)超声波风速风向仪能明显缩小体积,降低成本功耗。

基于SF1 Light的超声波风速风向测量系统

准确测量风速和风向对气象、环境监测和农业等领域具有重要意义。然而,传统的风速风向测量方法存在一些限制,如精度不高、安装复杂等。针对以上问题,利用FPGA和RISC-V内核的SF1芯片设计出一款基于超声波的高精度、低功耗、便携式的风速风向仪,使用时差法测量风速风向,并结合先进的传感器模块和通信技术,实现了测量风速、传感控制、环境监控、云端传输等功能,有助于优化资源利用、改善环境质量。

雨雪量计及风速风向仪在南京地铁中的应用

为了充分发挥气象条件对城市轨道交通运输效率和运输安全的积极作用,文章以南京地铁为研究对象,详细阐述了气象监测系统建设的必要性和建设过程。应用中通过在各线路车辆基地和正线站点布设用于监测降水的雨雪量计监测站和风速风向监测站,对雨雪量和风速风向数据进行实时监测,并传输至应急指挥中心的数据中心站,实现数据的展示和分析,以及相应阈值报警功能,为南京地铁的安全稳定运行提供有力保障。

MEMS风速风向传感器倾斜效应研究

主要针对智能电网、海上浮标等容易发生倾斜状态的应用场景,研究了微电子机械系统(MEMS)热式风速风向传感器的输出性能,并对带有空气动力学壳罩的传感器进行了有限元仿真和风场测试。测试结果表明,风向测量误差和仿真误差均较小,但风速测量误差却远大于仿真误差。进一步分析可知,其原因是传感器在封装时其外壳容易产生倾斜。为了解决这一问题,采用3D打印技术实现一体化的封装外壳。测试结果表明,在±20°以内的倾斜状态下,优化后传感器的风速、风向测量误差分别满足±(0.3+5%v)m/s、±3°的指标要求。

矿用对射式风速风向传感器设计

针对目前风速传感器启动风速高、设计方案复杂、无法准确测量巷道整个断面平均风速的问题,基于超声波对射式测风原理,设计了以STM32为核心的矿用对射式风速风向传感器,介绍了传感器总体结构、收发电路设计、滤波算法及软件流程。该传感器改变了以点带面的测风方式,通过大距离(5~12 m)超声测风技术测量巷道中线风速,以该风速代表整个巷道的平均风速,提高了巷道风速测量的准确性和实时性。依据设计方案研发了测试样机,在环形风洞中的测试结果表明,该传感器测量值与风速标准值在0.1~15 m/s内具有较好的一致性,测量误差小于0.1 m/s,能够满足智能化矿井对巷道风速测量精度的要求。

基于二次相关的超声波风速风向测量方法

为解决超声波测风仪存在的抑制噪声能力不足、受环境温湿度等影响导致稳定性差等问题,提出一种基于二次相关算法的三阵元超声波测风方法。首先结合超声波测风原理设计了一种三阵元测风结构,该结构包含3个收发一体式超声波换能器;其次依据该系统结构给出一种基于二次相关的超声波传播时间测量方法,利用二次相关算法对噪声抑制更强的性能可有效提高风速风向测量的精度,并从理论上说明了所提测风方法不受超声波本身传播速度即环境温湿度对其的影响。最后通过模拟仿真实验和搭建的实际测量系统对所提方法进行了有效性验证。在实际测量中风速风向角的最大测量误差分别为2.0%和2.1°,基本达到了超声波风速风向测量的精度要求。

基于移动平台的三维风速风向动态测量系统

由于风速风向对帆船等移动平台的影响,需要实现对风速风向的动态测量,因此设计了一款基于时差法的正四面体非正交结构超声波阵列的动态测量系统。该系统通过测量超声波在顺风和逆风下传播的速度不同,结合测量装置的结构解析,得到风速风向和俯仰角,利用磁力计补偿方位信息数据和中值滤波算法,解决了在移动平台上实时动态采集风速风向和俯仰角的问题。经实际测试,系统风速测量误差在±1 m/s以内,风向测量偏差不超过0.8°,俯仰角测量偏差不超过1°,达到预期设计要求。

MEMS热式风速风向传感器输出性能优化研究

环境测温二极管在工作时受传感器芯片热场影响,常引发MEMS热式风速风向传感器加热电压-风速曲线异常。将其更换为外置测温二极管,并调整其与传感器芯片距离,成功解决了输出曲线异常现象。并在此基础上,优化芯片及外置测温二极管的封装方案,消除了热场的相互干扰和不必要的热损耗,同时保证了外置测温二极管与空气的良好接触。风场测试结果表明,传感器的加热电压-风速曲线变得平滑,且重复性好,风速和风向的测量误差分别在±4%和±4°以内,系统的上电稳定时间大幅缩短至15 s左右。

基于纳米裂纹的MEMS二维风速风向传感器

风速、风向信号的采集在工业、医疗与气象等领域具有重要意义。研发了一种基于纳米裂纹的微电子机械系统(MEMS)二维风速风向传感器。利用纳米裂纹超高灵敏度的优点,设计了纤毛-悬臂梁结构用于风速、风向信号采集。通过有限元数值仿真分析确定传感器的纤毛直径、高度和悬臂梁长度等结构参数。然后,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底制备、聚酰亚胺粘附、金薄膜沉积、金薄膜图案化以及纳米裂纹工艺流程制备了纳米裂纹金薄膜。采用该纳米裂纹金薄膜,利用MEMS工艺技术制作了基于纳米裂纹的MEMS二维风速风向传感器,并通过自主研制的测试平台测试了传感器的风速和风向性能。实验结果表明,制备的二维风速风向传感器能够稳定测量2~7 m/s的风速信号,并具有误差不超过15°的风向识别能力。

浅谈风速风向传感器

近年来,由于风力发电的普遍应用,风速风向传感器也得到了广泛的应用。本文从风速风向传感器的应用,超声波风速风向仪及国内外常用的风速风向仪三个方面经行了介绍。

风速风向测量误差补偿算法的研究

为了提高风帆助力船舶中风速风向的测量精度,提出一种基于空间模型的风速风向测量误差补偿算法。首先建立了船舶运动状态下风速风向矢量的空间模型。在应用超声波风速风向测量技术的基础上,通过空间测量的方法确定测量误差与空间倾角的对应关系,并对测量误差进行单向拟合补偿计算和空间拟合补偿计算。最后,经过大量的实验和测量数据的对比,验证了基于空间模型误差补偿算法的有效性和可行性。从而解决了一类风帆助力船舶辅助推进控制系统的风速风向空间测量的误差补偿问题,使得风速风向测量精度满足风帆辅助推进控制系统的要求。

基于健康监测的苏通大桥风速风向联合分布研究

为了描述苏通大桥桥址区风速风向联合分布规律,为大跨度桥梁结构的风振分析精细化研究奠定基础,基于苏通大桥结构健康监测系统开展了桥址区风速风向联合分布研究。根据该系统风速仪在主梁跨中上游、跨中下游、北塔塔顶、南塔塔顶4个关键部位记录的风特性数据,采用数理统计方法,推算了4个部位10年、100年重现期的极值风速。结果表明,苏通大桥风特性监测数据合理可靠、桥址区极值风速分布概型接近Weibull分布,考虑风向影响的极值风速总体上比不考虑风向影响时的结果要小。

上海地区风速风向联合概率密度函数的研究

根据上海地区历年来详尽的风速风向实测资料，首先利用统计方法计算出本地区离散的风速风向联合概率密度函数值；然后运用曲面拟合方法，得到简洁法实用的风速风向联合概率密度函数由面的表达式．文中同时分析了风速风向在各季节的特点．这些结果可以方便地用于上海地区结构的抗风设计及风洞试验研究．对其它地区的民极年特性分析，文中的方法及结论也可被参考使用．

基于2008—2015年实测数据的苏通大桥风速风向联合分布分析

为充分掌握苏通大桥桥址区基本风速,基于大桥结构健康监测系统(SHMS)运行7年(2008年1月至2015年3月)的实测数据开展了桥址区风速风向联合分布分析.利用安装在主梁跨中上游、跨中下游和南塔塔顶的3个风速仪采集的数据,以1个月作为基本抽样时间间隔,采用阶段极值法抽取极值样本.在进行Gumbel,Frechet和Weibull分布函数的参数估计后,根据风向频度函数得到桥址区风速风向联合分布,据此对桥址区10,50及100年重现期的极值风速进行了推算.结果表明,Weibull概型风速风向联合分布函数较Gumbel和Frechet概型更为合适,考虑风向影响的基本风速使结构抗风设计更加接近实际情况,而苏通大桥抗风设计时所采用的基本风速偏于保守.

基于SOPC技术的超声波风速风向检测系统

针对风速风向检测仪应具有精度高、可靠性强、检测速度快、检测范围大等特点,设计基于可编程片上系统(System On a Programmable Chip,SOPC)技术的超声波风向风速检测系统.该系统以超声波探测器为风速风向检测传感器,建立超声波风速风向检测算法,实现二维的风速风向检测.该系统对风速风向检测仪的发展具有参考意义.

热薄膜温差型CMOS风速风向传感器的研究和实现

介绍了一种基于 CMOS,能同时测量风速风向的硅集成传感器。通过保持芯片和环境温差恒定在设定值 ,测量芯片上对称区域由于风强迫对流而引起的温差 ,利用二维结构同时获得风速风向信息。本文首先介绍热薄膜温差型风速风向传感器原理 ,给出了具体结构和工艺 ,最后对样品进行了风洞测试 ,传感器能够测量风速 0～ 2 3 m/ s且 3

基于超声波风速风向测速算法研究

超声波在空气中传播时,顺风与逆风时会存在一个速度差。在同等声程下,通常测量风速的方法是相关法和相位差测量方法。该文通过比较两种方法的优缺点,提出了一种新的改进算法来测风速,将相关法和相位差算法结合,并通过仿真来验证算法优越性。

杭州湾大桥观光塔风速风向联合分布

采用概率相关系数(PPCC)最大化原则和极大似然法,根据杭州湾中心岛屿玉盘山气象站的实测风速资料,分析不同风向的最优分布类型,探讨最优分布类型与概率曲线相关系数随形状参数变化规律之间的关系,并用风速风向联合分布推算设计基本风速。研究结果表明:在3种极值分布中的PPCC随形状参数递减的分布为最优,具体哪种分布的PPCC递减则依赖于具体风速样本,因此在以后的风速概率拟合中可以先由PPCC的规律确定分布类型,然后仅求解此分布的有效最优参数;16个风向中的最优分布除正西方向是极值Ⅱ型外,其他都是极值Ⅲ型;用联合分布推算的基本风速比传统的非联合分布的结果略低,传统的方法得到的基本风速偏保守,用联合分布推算基本风速更加科学。

移动式超声波风速风向测量系统

为了解决传统式测风仪器无法应用于航海和应急式车载自动气象站等测风领域的问题,设计了一种移动式超声波风速风向测量系统,其需要解决的问题有:随着载体的移动,基座的方位和速度发生变化,因此,需要在对系统方位和载体速度进行测定的同时,对测量到的风速风向参数进行系统修正。系统包括:利用3对超声波换能器完成三维风速风向测量,通过电子罗盘和系统自带的速度测量单元分别实现方位和速度测量,通过微处理器实现风速风向的校正及测量数据的传输。

考虑风速风向分布的干煤棚结构风振疲劳分析

针对大跨开敞式干煤棚结构在风荷载作用下易发生风致疲劳破坏的问题,基于干煤棚结构的多点同步测压风洞试验结果,结合Miner疲劳线性累积损伤理论,分别采用雨流法、等效应力法、等效窄带法和等效宽带法等时域与频域内多种方法,计算得到干煤棚网架的风致疲劳损伤结果.通过建立风速风向联合概率密度函数,考虑煤棚所在地实际风速风向联合分布特性对风致疲劳损伤分析的影响,利用高强螺栓应力经验公式,估算网架结构球节点的疲劳损伤.结果表明,等效宽带法是频域法中较精确的疲劳损伤计算方法.与其他风向角相比,干煤棚网架结构在40°~60°斜风向作用下更容易引发疲劳损伤.在考虑风速风向联合分布的条件下,螺栓球节点的年均累积疲劳损伤比杆件本身更显著.