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压电与声光 2015年第3期37卷 468-472页

作者：帅师师王露方鑫陈洋刘泽中国电子科技集团公司第二十六研究所重庆400060 重庆邮电大学光电工程学院重庆400065

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... 详细信息

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。

关键词：超声波风速风向相关法相位法

基于FPGA时差法超声波风速风向传感器系统的研究

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基于FPGA时差法超声波风速风向传感器系统的研究

作者：王葵军电子科技大学

学位级别：硕士

随着经济的发展,流量测量在工业、农业生产中的作用越来越重要。风速风向的测量在风力发电中起着尤为重要的作用。超声波测量仪表作为一种非接触式仪器在测量领域有着广泛的应用。超声波风速风向测量系统与传统的相比较,没有旋转部件,... 详细信息

随着经济的发展,流量测量在工业、农业生产中的作用越来越重要。风速风向的测量在风力发电中起着尤为重要的作用。超声波测量仪表作为一种非接触式仪器在测量领域有着广泛的应用。超声波风速风向测量系统与传统的相比较,没有旋转部件,不存在机械磨损,测量精度高等优点。系统采用了时差法测量风速风向原理设计了基于时差法FPGA超声波风速风向传感器系统。系统分为前端电路与后端电路。前端电路包括了探头低压驱动电路、前置放大电路、滤波电路、电压比较电路、信号隔离电路;使用低压驱动超声波探头,降低了系统调试的难度与复杂度。后端电路包括信号激励电路、信号检测电路、FIFO电路、LCD的驱动电路、UART协议电路。经过验证,系统能够完成对超声波信号的发射和采集,并且能得到超声波信号的飞行时间,该方案基本上能达到设计要求,由于实验条件限制,测量系统的精度指标还无法测出。最后,对系统设计进行了总结,并且给出了系统的改进意见。

关键词：超声波风速风向时差法 FPGA 低压驱动

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上海地区风速风向联合概率密度函数的研究

同济大学学报（自然科学版） 1997年第2期25卷 166-170页

作者：顾明陈礼忠项海帆同济大学桥梁工程系上海200092

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... 详细信息

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．

关键词：风速风向概率密度函数抗风设计桥梁

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基于ARM的超声波法风速风向测量系统

仪表技术与传感器 2012年第12期 67-69,91页

作者：康基伟楚亚博冯海波河南电网建设管理公司河南郑州450000 西宁供电公司青海西宁810003

设计了一套基于改进时差法的收发一体式超声波风速风向测量系统,以ARM芯片LPC2136为核心,采用了模块化的设计思想,根据电路功能详细设计了超声波收发、信号调理、数据量化、人机接口、系统电源与时钟及网络通信六大模块,同时在软件设计... 详细信息

设计了一套基于改进时差法的收发一体式超声波风速风向测量系统,以ARM芯片LPC2136为核心,采用了模块化的设计思想,根据电路功能详细设计了超声波收发、信号调理、数据量化、人机接口、系统电源与时钟及网络通信六大模块,同时在软件设计中采用了接收信号范围门与小波变换相结合的数据处理方法来精确定位超声波传播时间,对程序进行了整体优化。系统可实现风参数的精确测量、实时显示及与上位机PC的灵活通信等功能。

关键词： ARM 超声波时差法风速风向

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超声波二维风速风向测量系统设计

超声波二维风速风向测量系统设计

作者：梁家怡哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

风在当今科技飞速发展进步的时代，已不仅仅作为自然现象而存在，作为清洁的可再生能源，风能越来越受到世界的重视。当前的超声波风速风向传感器趋向于小型化，如风电机组，要求风速测量装置体积小、能耗低、能够准确稳定地测量风能信... 详细信息

风在当今科技飞速发展进步的时代，已不仅仅作为自然现象而存在，作为清洁的可再生能源，风能越来越受到世界的重视。当前的超声波风速风向传感器趋向于小型化，如风电机组，要求风速测量装置体积小、能耗低、能够准确稳定地测量风能信息，因此，一套稳定、可靠的风速检测系统对于风能的高效利用至关重要。本文提出一种超声波二维风速风向测量方法和测量系统的设计方案，该方案以时差风速测量方法为基础，从时差测量方法及超声波传感器配置方法两方面进行了研究，得到了准确、低成本的测量时差信号的方法，即基于超声波传感器的相位差风速风向测量方法。通过对比实验，本文从超声波传感器的交叉、反射、三角配置形式中选出了最优配置方案，在此基础上建立了相位差与风速、风向关系的数学模型。本系统通过数字电路测量同等声程下超声波脉冲顺风和逆风传播相位差，此相位差等同于顺风和逆风传播时间差，并将该相位差通过数字模拟混合电路转换为直流电压信号，再由单片机进行数据处理，经软件分析后获得风速风向信息。风速风向测量系统硬件设计包括：电源电路、传感器信号调理电路、单片机系统、红外接收电路、显示电路、串口通信电路等电路设计。软件设计主要工作有：信号分析与处理、信号输出、红外解码、信息存储等功能。本文对风速风向测量算法进行了详细分析，最终得到风速风向合成可能存在的问题的具体解决方案，配合所采用的时间差测量方法，超声波二维风速风向测量系统能够风速的高稳定高精度测量，同时具有体积小，重量轻等特点。

关键词：风速风向相位差矢量合成红外遥控

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基于超声波的风速风向测量研究

基于超声波的风速风向测量研究

作者：陆健南京信息工程大学

学位级别：硕士

风是由空气流动引起的一种自然现象,是极其重要的气象要素。传统的风速风向测量通常采用风杯式风速仪,由于存在机械磨损、精度低、寿命短等缺点,近年来逐渐被超声波风速仪所取代,超声波风速仪具有反应快、分辨率高、寿命长等特点,其在... 详细信息

风是由空气流动引起的一种自然现象,是极其重要的气象要素。传统的风速风向测量通常采用风杯式风速仪,由于存在机械磨损、精度低、寿命短等缺点,近年来逐渐被超声波风速仪所取代,超声波风速仪具有反应快、分辨率高、寿命长等特点,其在气象观测、风力发电、新能源等领域有着广泛的应用需求。论文分析了超声波测风的工作原理,设计了一种超声波风速风向测量系统,并在硬件基础上,对系统进行了小型化研究和设计。为了保证系统的测量精度等能够满足应用需求,研究并建立时差法测量的数学模型确定了换能器测量阵列结构。在理论基础上,确定采用CPLD EPM240T100来实现高频计时器设计、提高系统响应速度和硬件集成度,同时选用32位ARM LPC1768完成对数据处理及外围通信等功能,系统采用主-从控制结构,实现基于ARM和CPLD的超声波风速风向测量系统。硬件电路设计为了降低干扰及减小体积,将模拟与数字电路分开设计。模拟电路主要包括：ARM主控制系统、CPLD协处理系统、超声波驱动电路、信号接收处理电路、温度采集及加热电路、串口通信接口等模块。数字电路部分由CPLD内部设计集成,极大简化了硬件电路设计且有助于系统升级,其包括超声波驱动信号发生器、高精度计时器、信号接收及通信模块。系统软件设计采用Keil uVision4和Quartus Ⅱ 8.1实现ARM和CPLD控制程序设计,上位机软件采用C++进行MFC设计,通过系统提供的模拟／数字通信接口,可实现风速风向的上位机处理、显示和存储等。同时,为增强系统测量的稳定可靠性,采用软件算法实现补偿,下位机ARM采用标量平均值数字滤波算法对数据进行一次处理,上位机采用改进型53H算法对数据进行二次滤波处理,降低可能来自干扰、传输等引起的随机误差。研究设计及实验测试结果表明：基于ARM和CPLD设计的超声波风速仪在缩小整机尺寸的情况下,系统在数据处理的速度、精度和稳定性上均可达到工程应用要求,且成本低,结构简单,在风速风向测量应用中具有一定的应用前景和参考价值。

关键词：超声波风速风向时差法 ARM 复杂可编程逻辑器件

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基于STM32的风速风向测试系统设计

基于STM32的风速风向测试系统设计

作者：吕敏西南交通大学

学位级别：硕士

乘坐舒适性是影响高速动车组运行质量的重要因素,综合舒适度取代传统的平稳性和舒适度指标对其进行评价与分析,这对我国动车组技术的引进、消化、吸收及创新具有十分重要的意义。综合舒适度测试对象包括车厢风速、风向在内的多种参数,... 详细信息

乘坐舒适性是影响高速动车组运行质量的重要因素,综合舒适度取代传统的平稳性和舒适度指标对其进行评价与分析,这对我国动车组技术的引进、消化、吸收及创新具有十分重要的意义。综合舒适度测试对象包括车厢风速、风向在内的多种参数,用于跟踪动车组的运行状况。动车组试验在我国处于研究探索阶段,测试方案设计及仪器开发均属于全新课题,设计一款符合要求的风速风向测试系统保证了试验数据的可靠性。另外,该系统也可应用于多种恶劣环境下的风速风向观测,为测风技术研究提供了一种可行的方案。分析现有风速风向测试设备优缺点,论文给出了符合设计要求的系统框图,软硬件设计采用模块化设计思想。系统完成传感器检测信号输入、调理、存储和液晶显示,借助文件系统对采集数据进行管理,液晶模块代替上位机软件实现动态波形显示,预留多种接口方便功能扩展。该系统具有良好的人机界面,智能化程度较高且体积灵巧,能够轻松完成多点的数据采集。系统设计首先介绍了常用测风传感器的工作原理,主要包括皮托管式传感器、热式传感器、机械式传感器和超声波式传感器,并分析了各类传感器的特性,综合考虑确定选用机械式传感器;其次,硬件电路设计以高性能的STM32微控制器为核心搭建硬件平台,具有信号采集和处理、SD卡数据存储、TFT液晶显示和RS232通信功能,JTAG接口实现系统跟踪调试,电源电路为系统提供了可靠的电源;最后,软件设计阐述了系统各模块的设计思想和主要流程,重点介绍了SD卡底层驱动和FAT32文件系统解决方案,TFT液晶模块的动态波形显示技术包含归一化、插值描点和更新方式,其中插值算法使用拉格朗日多项式法并取得了满意的波形,在该应用领域是一种新的尝试。根据样机调试和现场测试,该风速风向测试系统达到了设计的预期目标,并且工作稳定,性能良好,满足便携式测试系统的要求。论文最后对系统误差进行了分析,为以后系统改进做好了准备。

关键词：风速风向测试系统 STM32 文件系统动态波形

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风帆助力船舶风速风向的检测方法研究

风帆助力船舶风速风向的检测方法研究

作者：韩新春大连海事大学

学位级别：硕士

风帆助力船舶对风的测量精度要求很高,因为风帆迎风角的控制取决于风向的检测,而风帆助力系统与主推进系统力的协调控制与风速测量密切相关。但是目前的风向风速测量装置均未考虑传感器位置的变化对风速风向测量精度的影响。本文分析... 详细信息

风帆助力船舶对风的测量精度要求很高,因为风帆迎风角的控制取决于风向的检测,而风帆助力系统与主推进系统力的协调控制与风速测量密切相关。但是目前的风向风速测量装置均未考虑传感器位置的变化对风速风向测量精度的影响。本文分析了在船舶运动状态下,影响风向风速测量精度的主要因素。通过试验分析了传感器倾角的变化对风向风速测量结果的影响,并对大量的实验数据进行了统计分析,找出了一种测量误差补偿算法。论文分析了多种风向风速测量的方法和原理,并对各种测量装置的特点进行了论述。在实验室构建了一个简易的超声波风速风向测量试验平台,对传感器倾角变化引起风向风速的测量误差进行了实验数据分析,在此基础上分别对多个方向上超声波传感器倾角变化与风向风速测量误差之间的关系进行了分析研究,得到了误差与倾角之间的拟合曲线;同时,对空间任意一点上超声波传感器倾角变化与风向风速测量误差的关系进行数据统计分析,建立空间倾角的测量误差补偿模型。最后通过大量试验分析,验证了补偿算法的有效性和可信性。本文利用XL2000 C51实验箱设计了测量误差修正装置的硬件系统,并对补偿算法进行了软件编程,实现了风向风速测量误差的补偿。经过误差补偿处理的风向风速测量结果,可以满足风帆助力船舶对风的测量精度要求。

关键词：风速风向船舶姿态误差补偿

考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒风致疲劳寿命评估

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考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒风致疲劳寿命评估

作者：张广隶兰州理工大学

学位级别：硕士

在风电行业高速发展的同时,风力发电机倒塌事故频频发生,而大多数倒塌事故的原因都可以归结于焊缝疲劳断裂。风力发电机作为一种典型的对风荷载敏感的高耸结构,其塔筒与法兰之间的连接以及门框与塔筒之间的连接等都采用了焊接连接形式,... 详细信息

在风电行业高速发展的同时,风力发电机倒塌事故频频发生,而大多数倒塌事故的原因都可以归结于焊缝疲劳断裂。风力发电机作为一种典型的对风荷载敏感的高耸结构,其塔筒与法兰之间的连接以及门框与塔筒之间的连接等都采用了焊接连接形式,因此对风荷载引起的塔筒焊缝风致疲劳寿命的研究一直是风力发电机结构设计中的重要问题。目前关于风电塔筒风致疲劳的研究中,大多数为数值模拟计算,同时其风荷载缺乏实测数据的支持,且在数值模拟风力发电机结构响应时,不论是将风荷载以节点力的形式作用于塔架进行结构响应计算,还是利用CFD进行流场分析,都很少考虑风向的影响。因此,为更准确的进行风电塔筒风致疲劳寿命评估,本文基于实测风速风向数据分析结果,考虑风速风向联合概率分布,利用主S-N曲线法对风电塔筒结构风致疲劳展开研究,主要包括以下三个方面的内容:(1)针对某2.5MW大型风力发电机结构,建立三种风电塔筒结构有限元模型(无法兰无门洞、有法兰无门洞、有法兰有门洞),分析建模时构建法兰和门洞对结构的自振特性的影响,并根据Davenport谱和谐波叠加法模拟的风荷载,对风电塔筒结构有限元模型进行了动力响应分析,构建四种不同网格大小的有限元模型,计算塔筒法兰和门洞区域焊缝处的结构应力,验证结构应力的网格不敏感性,结合Miner线性累积法则和雨流计数法对塔筒法兰及门洞焊缝进行疲劳寿命计算,基于主S-N曲线法对风电塔筒结构风致疲劳进行评估;(2)建立有机舱、轮毂、叶片和塔筒的风电塔筒结构整体有限元模型,通过改变风轮朝向与门洞朝向的夹角来考虑风向的变化,进行相同风速不同风向和不同风速相同风向的风振响应分析,计算各法兰与塔筒连接处以及门洞两侧的结构应力,分析风向和风速变化对结构应力的影响,确定易发生疲劳损伤的关键点,并计算各关键点的疲劳寿命,研究风速和风向变化对塔筒疲劳寿命的影响规律;(3)基于甘肃六个风电场比较集中的地区长达37年的实测风速风向数据,采用阶段极值法抽取极值样本,分析各地区风速风向联合概率分布,并将Gumbel,Frechet和Weibull分布函数线性化,利用最小二乘法拟合各地区全方位及不同风速风向分布参数,预测各地区10,50及100年重现期下各地区的基本风速;基于风速风向联合概率分布预测结果,进行风力发电机塔筒风致疲劳寿命评估。

关键词：风力发电机塔筒风速风向联合分布主S-N曲线风致疲劳

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覆冰环境下风速风向的精确测量研究

覆冰环境下风速风向的精确测量研究

作者：蒋丽华重庆大学

学位级别：硕士

覆冰天气下,风对输电线等电力设备表面覆冰有重大影响,是研究设备覆冰机理和融冰技术的重要气象参数。但是雨雪冰冻等恶劣气象环境对风速风向测量提出了挑战,风速计在高寒天气易被冻结破坏,导致数据失真或监测精度大幅下降。目前关于风... 详细信息

覆冰天气下,风对输电线等电力设备表面覆冰有重大影响,是研究设备覆冰机理和融冰技术的重要气象参数。但是雨雪冰冻等恶劣气象环境对风速风向测量提出了挑战,风速计在高寒天气易被冻结破坏,导致数据失真或监测精度大幅下降。目前关于风速计在覆冰环境下精确测量试验研究较少,且缺乏成熟的精确测量产品。因此,设计一套成熟的风速风向测量及防除冰技术方案,对研究覆冰环境下风速风向的精确测量具有重要的学术意义和工程实用价值。本文提出了一种能在覆冰环境下利用差压传感器测量风速风向的方法,可以精确测量风压,并转换为风速风向数据。根据测量方法开发了圆柱形多孔结构的风压式风速计,并通过风洞试验验证风速计的可行性及获得风压分布曲线。在雪峰山自然环境验证风速计的测量性能,结果表明,风压风速计采样率高,准确稳定。覆冰环境下加热风速计具备防冰除冰功能,能正常测量风速风向。论文的主要工作及成果如下:(1)提出了一种基于差压测量原理的圆柱形多孔结构测量方法。采用6根风速管,相邻夹角为60度的阵列排布,使得风压式风速计在测量原理上更加精确。在所设计的风速计圆周上,均匀分布的6个小孔分别通过风速管连接一个压力传感器。当风向改变时,迎风侧相邻三个压力传感器的数值变化满足一定函数关系。通过实验可确定实际圆柱体周围风压,拟合得到精度较高的风压分布曲线。通过圆柱表面压强分布关系推导得到风向和最大动压,并由动压得到风速。(2)分析影响风速计测量精度的因素,从压力传感器芯片、电路系统设计和风速风向处理算法等方面提出了提高风速风向精度的设计方案,并制成风压式风速计。风速计检测与控制系统包含差压、液晶、测温等模块,采用低于0℃能正常工作且稳定、灵敏的相关传感器芯片,实现了风速计在覆冰环境下的测量。利用单片机实现风压与风速风向的转换,提高测量准确度。(3)在分析覆冰对风速计的影响并建立热交换模型的基础上,设计了风速计圆柱体和风速管一体加热的加热防冰/除冰方案。覆冰环境下,调整加热功率和温度上下限是确定风速计对不同覆冰程度的适应性的重要因素,同时可以防止烧毁传感器组件或无法融化冰雪。为确保风速计圆柱体和直径较小的风速管能有效除冰,采用材质柔软的碳纤维加热元件紧密缠绕圆柱体和风速管,以温度为指标自动启动加热装置。除冰试验表明除冰效果良好,除冰方案可行。覆冰试验证明,加热时风速计不会覆冰,从而保证风速计的正常运行和风速、风向的连续测量。(4)进行自然环境试验验证了风压式风速计在常温和覆冰环境下的性能。在常温环境下进行对比分析,在同一时间段风压式平均风速相比三杯式偏差为9.572%;风压式与超声波测量的风速风向总体趋势相同,1分钟内的风速相对稳定。试验证明风速计风速在0～30 m/s、风向在0～360度的范围内获得可靠的性能,同时具有可测量瞬时风速风向的2 Hz高采样率。分析覆冰环境下风速、风向误差产生原因,采用软件补偿算法处理和修正了覆冰环境下密度变化和风向突变等问题。此外,进行零点校准以减小由于环境温度引起的风速计热零点漂移误差,提高了风速和风向的精度。

关键词：差压传感器风速风向风洞雪峰山覆冰碳纤维加热