CN108519496A - 一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置 - Google Patents

一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于风速测量技术领域的一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置，即单摆测速器该发明涉及单摆测速仪的物理装置和其测速原理的数学模型，物理装置包括轻质空心球、单摆线、含有电子陀螺仪和加速度传感器的电子模块；该数学模型的测速原理完全不同于传统的测速原理，创新性的利用单摆的摆角反应局部风速的大小，该发明简化的测速的实验步骤，提高了测量精度和效率，同时可获得更高频的测量数据。

Description

一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置
技术领域
本发明属于风速测量仪器的技术领域，具体涉及一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置。
背景技术
目前风速测量的常用方法有机械方法、动散热率法力测压法及激光、超声波等测量方法。其中机械方法的原理是利用流动气体的动压，推动机械装置转动来显示流速。如翼型和杯型机械测速仪均适用于测定15-20m/s内的气流速度，而无法准确测量15m/s以下的风速。
近年来，随着MEMS技术的日渐成熟，电子陀螺仪和加速度传感器被应用到越来越多的领域，其具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可批量生产等传统机械无法比拟的优点。
基于现有测速方法的限制以及发展成熟的MEMS技术，该专利提出了一种新的测速装置及其原理。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速装置及其测速技术。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置，包括单摆测速器，其中单摆测速器包括摆球、摆线、电子模块；
所述单摆测速仪，所述摆球为轻质空心球，其直径应小于所测环境的最大允许尺度；摆线为轻质细线，其应保证小球的摆动强度，长度不小于10倍小球直径；电子模块中应集成电子陀螺仪和电子加速度计中、蓝牙芯片、5V纽扣电池以及其他必须元器件，且电子模块置于空心球内部，并且使小球的整个小球的质心位于小球的形心。
所述测速方法，包括以下步骤：
S1：通过含有电子陀螺仪和电子加速度计的集成模块，实时采集测量数据加速度ax、ay、偏转角A。
S2：根据加速度ax、ay、A计算得切向加速度aq、法向加速度af
aq＝ax cos A+ay sin A (1)
af＝-ax sin A+ay cos A (2)
S3：在局部范围内，将小球视为圆周运动，则根据af算出小球的切向速度V(t)
V2(t)＝af×L (3)
其中L为第一摆线长度；
S4：在局部范围内，对小球列牛顿第二定律方程，获得切向加速度表达式
±Fv(t)+f(t)cos A-mg sin A＝maq (4)
其中f(t)＝CU(t)，Fv(t)＝CV2(t)，C为常数，U(t)为水平风速，V(t)为小球切向速度；小球在上升过程时，Fv(t)系数为正；在下降过程时，Fv(t)系数为负。则
S5：将式(3)带入式(5)得风速U(t)的表达式
本发明有益效果：本发明创新性的提出了一种测速方法，其不同于传统方法的测速原理。电子陀螺仪和加速度传感器基于现代的MEMS技术，反应灵敏，相应迅速，减少了测量过程中的人为误差，提高了测量精度。该发明可测得实时的速度数据，为科研工作者提供更为完整的实验数据，同时节省了实验测试时间。
附图说明
图1是本发明实施方式的单摆测速装置的Y-Z面示意图；
图2是本发明实施方式的单摆测速装置的X-Y面示意图；
图中：1、空心球；2、第一摆线；3为第二摆线；4、第三摆线；5、固定装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明的方法在所发明的单摆测速仪中通过相关模块程序实现，该程序包括以下几个部分：电子陀螺仪和加速度传感器模块获取各方向加速度、偏转角；基于卡尔曼动态滤波算法的动力学姿态解算；根据偏转角度、加速度计算局部风速以及其他相关附加程序模块。
该发明的算法主要涉及根据偏转角度、加速度计算局部风速这一板块，其详细的实施步骤如下：
S1：使单摆保持在除风压作用下不受任何外力的运动状态，小球内的电子模块处于通信状态，所涉及电子陀螺仪和加速度传感器程序可解算出小球的实时运动状态，其中包括加速度ax、ay、偏转角A
S2：在获得实时运动姿态数据的基础上，对单摆球建立物理模型，假设其始终受摆绳的拉力作用，其在局部运动模型可简化为圆周运动模型，对其进行运动分析，计算得小球切向加速度aq、法向加速度af
aq＝ax cos A+ay sin A (1)
af＝-ax sin A+ay cos A (2)
S3：由于在局部范围内，小球运动模型为圆周运动，则其法向加速度af满足如下公式，从而算出小球的切向速度V(t)
V2(t)＝af×L (3)
其中L为第一摆线长度；
S4：在局部范围内，对小球进行受力分析，列牛顿第二定律方程，获得切向加速度表达式
±Fv(t)+f(t)cos A-mg sin A＝maq (4)
其中f(t)＝CU(t)，Fv(t)＝CV2(t)，C为常数，其大小与小球半径和质量有关，U(t)为水平风速，V(t)为小球切向速度；小球在上升过程时，Fv(t)系数为正；在下降过程时，Fv(t)系数为负。整理得
S5：根据以上算法可推导出局部风速的计算公式，风速U(t)的表达式为
根据以上获取风速算法进行编程，便可通过本物理模型和所见数学模型获取实时的风速。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于电子陀螺仪和加速度传感器单摆测速仪，包括单摆测速器，其中单摆测速器包括摆球、摆线、电子模块；
所述单摆测速器，其特征在于：所述摆球为轻质空心球，其直径应小于所测环境的最大允许尺度；摆线为轻质细线，其应保证小球的摆动强度，长度不小于10倍小球直径；电子模块中应集成电子陀螺仪和加速度传感器芯片、蓝牙芯片、5V纽扣电池以及其他必须元器件，且电子模块置于空心球内部，并且使小球的整个小球的质心位于小球的形心。
所述测速方法，包括以下步骤：
S1：通过含有电子陀螺仪和加速度传感器的集成模块，实时采集测量数据加速度ax、ay、偏转角A。
S2：根据加速度ax、ay、A计算得切向加速度aq、法向加速度af：
aq＝axcos A+aysin A (1)
af＝-axsin A+aycos A (2)
S3：在局部范围内，将小球视为圆周运动，则根据af算出小球的切向速度V(t)：
V2(t)＝af×L (3)
其中L为摆线长度；
S4：在局部范围内，对小球列牛顿第二定律方程，获得切向加速度表达式：
±Fv(t)+f(t)cos A-mg sin A＝maq (4)
其中f(t)＝CU(t)，Fv(t)＝CV2(t)，其中C为常数，U(t)为水平风速，V(t)为小球切向速度；小球在上升过程时，Fv(t)系数为正；在下降过程时，Fv(t)系数为负。则
S5：将式(3)带入式(5)得风速U(t)的表达式
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020118476A (ja) * 2019-01-21 2020-08-06 Tdk株式会社 風速測定方法および風速計
CN111854677A (zh) * 2020-07-30 2020-10-30 大连理工大学 一种飞行器悬挂重物软绳摆动角测量装置
CN113883567A (zh) * 2021-11-05 2022-01-04 杭州老板电器股份有限公司 风机的启停检测装置和系统
CN116026404A (zh) * 2022-11-30 2023-04-28 天津大学 一种自然通风建筑边界热质流量实时监测系统

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4449400A (en) * 1982-11-24 1984-05-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Radionuculide counting technique for measuring wind velocity and direction
CN201035162Y (zh) * 2006-10-11 2008-03-12 贺昱 便携式风力测量仪
CN201281713Y (zh) * 2008-10-20 2009-07-29 南京工程学院 风感应器
CN102339541A (zh) * 2011-09-23 2012-02-01 无锡艾德里安科技有限公司 一种电子单摆演示装置
CN202815003U (zh) * 2012-07-11 2013-03-20 田志国 共振风速仪
CN104820108A (zh) * 2015-05-18 2015-08-05 中南大学 一种基于空间摆的机械式二维风速风向传感器
CN104865403A (zh) * 2015-05-13 2015-08-26 中国矿业大学 一种煤矿巷道微风速测定装置及方法
CN105004380A (zh) * 2015-07-06 2015-10-28 中国科学院力学研究所 一种大口径管气体流量测量装置
CN105043462A (zh) * 2015-07-06 2015-11-11 中国科学院力学研究所 一种大口径管气体流量测量方法
CN205027778U (zh) * 2015-09-18 2016-02-10 北京检测仪器有限公司 风速计
CN105486351A (zh) * 2016-01-14 2016-04-13 中国地质大学（武汉） 一种地下水流速流向实时监测方法及监测系统
CN205158741U (zh) * 2015-11-10 2016-04-13 武汉大学 一种风力摆实验仪
CN205643379U (zh) * 2016-05-26 2016-10-12 上海久壬信息科技有限公司 风向风速传感器
CN106290971A (zh) * 2016-08-26 2017-01-04 东南大学 一种风速球测量系统

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4449400A (en) * 1982-11-24 1984-05-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Radionuculide counting technique for measuring wind velocity and direction
CN201035162Y (zh) * 2006-10-11 2008-03-12 贺昱 便携式风力测量仪
CN201281713Y (zh) * 2008-10-20 2009-07-29 南京工程学院 风感应器
CN102339541A (zh) * 2011-09-23 2012-02-01 无锡艾德里安科技有限公司 一种电子单摆演示装置
CN202815003U (zh) * 2012-07-11 2013-03-20 田志国 共振风速仪
CN104865403A (zh) * 2015-05-13 2015-08-26 中国矿业大学 一种煤矿巷道微风速测定装置及方法
CN104820108A (zh) * 2015-05-18 2015-08-05 中南大学 一种基于空间摆的机械式二维风速风向传感器
CN105004380A (zh) * 2015-07-06 2015-10-28 中国科学院力学研究所 一种大口径管气体流量测量装置
CN105043462A (zh) * 2015-07-06 2015-11-11 中国科学院力学研究所 一种大口径管气体流量测量方法
CN205027778U (zh) * 2015-09-18 2016-02-10 北京检测仪器有限公司 风速计
CN205158741U (zh) * 2015-11-10 2016-04-13 武汉大学 一种风力摆实验仪
CN105486351A (zh) * 2016-01-14 2016-04-13 中国地质大学（武汉） 一种地下水流速流向实时监测方法及监测系统
CN205643379U (zh) * 2016-05-26 2016-10-12 上海久壬信息科技有限公司 风向风速传感器
CN106290971A (zh) * 2016-08-26 2017-01-04 东南大学 一种风速球测量系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
朱慧玲等: "基于图像处理的单摆法风速测量系统的研究", 《南华大学学报(自然科学版)》 *
白晓红等: "《荷载与结构设计方法》", 30 November 2017, 中国建材工业出版社 *
缪钟英等: "《力学教程》", 30 October 1993, 四川大学出版社 *
舒幼生: "《中学奥林匹克物理》", 30 August 1993, 教育科学出版社 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020118476A (ja) * 2019-01-21 2020-08-06 Tdk株式会社 風速測定方法および風速計
CN111854677A (zh) * 2020-07-30 2020-10-30 大连理工大学 一种飞行器悬挂重物软绳摆动角测量装置
CN113883567A (zh) * 2021-11-05 2022-01-04 杭州老板电器股份有限公司 风机的启停检测装置和系统
CN113883567B (zh) * 2021-11-05 2024-11-15 杭州老板电器股份有限公司 风机的启停检测装置和系统
CN116026404A (zh) * 2022-11-30 2023-04-28 天津大学 一种自然通风建筑边界热质流量实时监测系统

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