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微型热场式风速风向传感器研发

微型热场式风速风向传感器研发

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作者：沈晓东江南大学

学位级别：硕士

风速风向的测量与我们日常生活息息相关,作为气象监测的两项重要指标,对其及时准确测量非常重要。目前气象行业使用较多的测量仪器有杯式风速计、超声波风速计、热式风速计等。虽然上述测量仪器均有各自的优势,但是市场上尚缺乏微型风... 详细信息

风速风向的测量与我们日常生活息息相关,作为气象监测的两项重要指标,对其及时准确测量非常重要。目前气象行业使用较多的测量仪器有杯式风速计、超声波风速计、热式风速计等。虽然上述测量仪器均有各自的优势,但是市场上尚缺乏微型风速风向测量设备。微型化便于携带、部署、移植,同时也是体积受限的应用场合中进一步扩展测量要素和功能或提高续航的重要手段。为了实现整体结构的小型化、集成化、低成本且可同时测量风速风向,本文将基于流场与温度场的相互影响设计一款热场式风速风向传感器,并通过仿真分析与实验研究相结合的方法对传感器性能进行测试。主要研究内容如下:(1)提出了一种基于热温差原理的微型热式测风传感器模型。从热式测风传感器的传热理论出发,分析了传感器工作过程中的三种传热形式,并对热式测风传感器三大测风方式优缺点加以概括,确定了以NTC热敏电阻和加热线圈为感测核心,分布于直径为20 mm圆形薄片底板上的模型结构,传感器采用热温差检测原理。(2)通过流体动力学软件FLUENT研究了热场随流场分布规律并对风速风向判别进行了设计,同时对传感器测风性能影响因素进行了分析。仿真结果表明,热场在风场作用下的高温覆盖区域在±35°左右,八路测温NTC方案可以更有效地获取热场分布信息。基于热场风分布规律,对比高斯曲线拟合和傅里叶拟合测风速风向,发现后者在低风速下仍具备较高地拟合精度。同时,结合仿真分析和对流换热的场协同理论证明1.0 mm加热线圈螺距更有利于对流换热,3.6 mm测温电阻间距,20 mm底板直径以及1.2 mm底板厚度的模型结构可以在保证传感器强度和小型化的前提下具备良好的灵敏度。最后,针对环境温度变化带来的风速大小判定影响,给出了线性插值的误差修正方法。(3)硬件及软件作为传感器系统的核心,合理设计可以大大提升传感器性能。硬件方面选用STM32微处理器作为主控芯片,24位高精度模/数转换器ADS131M08采集热场分布信息,通过地磁计HMC5883L实现传感器自动定北功能。为降低传感器功耗,设计了一种加热功率控制电路方案,可实现恒功率加热与脉冲加热间的转化,并通过软件Multisim验证了电路的可行性。软件方面着重对风速风向测量进行了设计,针对风向测量过程中HMC5883L易受外界磁场干扰的问题,给出了椭圆假设磁场修正方案,保证罗盘精度。(4)为验证传感器性能是否符合设计要求,搭建了风速及风向测试实验平台。实验结果表明,设计的热场式风速风向传感器风速检测范围可达1～30 m/s,精度为0.01 m/s,误差在±(0.5+0.03v)m/s内;风向检测范围在0～360°,精度为0.1°,误差在±5°内。该传感器对环境温度引起的误差进行了线性插值修正,可在-10～40℃环境温度下正常工作,最大系统功耗为0.635 W。

关键词：风速风向传感器热场式微型化计算流体动力学

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