CN109975579A - 一种基于声波传感器测量风速的方法 - Google Patents
一种基于声波传感器测量风速的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109975579A CN109975579A CN201910312832.XA CN201910312832A CN109975579A CN 109975579 A CN109975579 A CN 109975579A CN 201910312832 A CN201910312832 A CN 201910312832A CN 109975579 A CN109975579 A CN 109975579A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sensor
- wind speed
- laser
- leaf
- sonic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于声波传感器测量风速的方法，包括如下过程：步骤一，采用声波传感器测定Bs(r)，声波传感器，包括：感知声波振动并能够反射激光的传感器上叶，光源，将光源的激光发射到传感器上叶并接收传感器上叶反射激光的传感器下叶，连接于传感器下叶的CCD探头，连接于所述CCD探头的CCD检测端口；步骤二，再将Bs(r)代入公式：推导出ΔV的值，步骤三，将ΔV的值，代入公式：计算出风速；本发明先通过声波传感器检测声波，再将声波换算成风速，这样的方法能够精密测量微弱的风速。
Description
技术领域
本发明涉及一种风速测量方法，特别是一种基于声波传感器测量风速的方法。
背景技术
风速计，是测量空气流速的仪器。它的种类较多，气象台站最常用的为风杯风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。
风速计可以精确计算出一定范围内的风速，从而根据风速选择出行时的穿戴，但是目前阶段的风速计无法达到精密测量微弱风速，本发明解决这样的问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于声波传感器测量风速的方法，先通过声波传感器检测声波，再将声波换算成风速，这样的方法能够精密测量微弱的风速。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于声波传感器测量风速的方法，包括如下过程：
步骤一，采用声波传感器测定Bs(r)，
采用声波传感器检测声波的信号，然后从声波检测信号中观察出在初始时刻和检测时刻这两个时间节点下的声波峰值，这两个声波峰值的差值为Bs(r)；
声波传感器，包括：感知声波振动并能够反射激光的传感器上叶，光源，将光源的激光发射到传感器上叶并接收传感器上叶反射激光的传感器下叶，连接于传感器下叶的CCD探头，连接于所述CCD探头的CCD检测端口；
步骤二，再将Bs(r)代入公式：推导出ΔV的值，
其中，V是半径为R的气体体积，Eli为光能量，ρ为气体密度，l为ΔT内气体的走行长度，ΔT是气体温度的变化，r为被测量物到传感器的距离；
步骤三，将ΔV的值，代入公式：计算出风速，其中，V是半径为R的气体体积，Eli为光能量，ρ为气体密度，l为ΔT内气体的走行长度，ΔT是气体温度的变化，r为被测量物到传感器的距离，β为非线性导联系数。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，传感器上叶组成有：弹力压电材料本体，位于弹力压电材料本体的下表面并能够对传感器下叶发射的激光产生反射效应的镜面层。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，弹力压电材料由导电橡胶材料掺杂铌酸锂纳米粒子加工制成。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，镜面层为喷镀镜面。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，传感器下叶为光纤发射接收探头阵列，所述光纤发射接收探头阵列由多个激光收发器集成单元构成。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，激光收发器集成单元包括：将光源的激光发射到传感器上叶的激光发射器和激光接收器。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，激光发射器由高通量导光的光纤材料制成。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，激光接收器采用InGAs探测器。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，光源为不可见红外激光，波长为1064nm。
前述的一种基于声波传感器测量风速的方法，还包括：连接于传感器上叶和传感器下叶之间的固定中轴。
本发明的有益之处在于：
本发明通过声波传感器测量得到的声波，换算得到风速，这样的方法能够精密测量微弱的风速，解决了传统传感器检测弱风速精度不足的难题；
本发明的传感器具有体积小、精度高、重复性好的优点，在一些精密甚至是超精密检测领域，将有广泛的应用；
该传感器在制作成本方面也具有优势，可改变超精密微弱风速检测等领域国外器件垄断的局面。
附图说明
图1是本发明方法的一种实施例的流程图；
图2是本发明声波传感器的一种实施例的检测原理图；
图3是本发明声波传感器静态时的一种实施例的结构示意图；
图4是本发明声波传感器形变后的一种实施例的结构示意图。
图中附图标记的含义：
1传感器上叶，2传感器下叶，3固定中轴，4光纤发射接收探头阵列，5激光收发器集成单元。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，一种基于声波传感器测量风速的方法，包括如下过程：
步骤一，采用声波传感器测定Bs(r)，
采用声波传感器检测声波的信号，然后从声波检测信号中观察出在初始时刻和检测时刻这两个时间节点下的声波峰值，这两个声波峰值的差值为Bs(r)；
步骤二，再将Bs(r)代入公式：推导出ΔV的值，
其中，V是半径为R的气体体积，Eli为光能量，ρ为气体密度，l为ΔT内气体的走行长度，ΔT是气体温度的变化，r为被测量物到传感器的距离；
步骤三，将ΔV的值，代入公式：计算出风速，其中，V是半径为R的气体体积，Eli为光能量，ρ为气体密度，l为ΔT内气体的走行长度，ΔT是气体温度的变化，r为被测量物到传感器的距离，β为非线性导联系数。
如图2、3所示，声波传感器，包括：感知声波振动并能够反射激光的传感器上叶1，光源，将光源的激光发射到传感器上叶1并接收传感器上叶1反射激光的传感器下叶2，连接于传感器上叶1和传感器下叶2之间的固定中轴3，连接于传感器下叶2的CCD探头，连接于CCD探头的CCD检测端口。
光源为不可见红外激光，波长为1064nm。作为一种优选，光源为HF 1064-500型激光发生器。
传感器上叶1组成有：弹力压电材料本体，位于所述弹力压电材料本体的下表面并能够对传感器下叶2发射的激光产生反射效应的镜面层。作为一种优选，弹力压电材料由导电橡胶材料掺杂铌酸锂纳米粒子加工制成；作为一种优选，镜面层为喷镀镜面。
传感器下叶2为光纤发射接收探头阵列4，光纤发射接收探头阵列4由多个激光收发器集成单元5构成。激光收发器集成单元5包括：将光源的激光发射到传感器上叶1的激光发射器和激光接收器。作为一种优选，激光发射器由高通量导光的光纤材料制成；激光接收器采用采用经过尺寸限定的InGAs探测器，型号为S1087-01。作为一种优选，激光收发器集成单元5和CCD探头有45个。激光接收器的激光出射端口具有CCD检测探头，检测到的反射光经过光纤的另外一端导入CCD检测端口，形成检测信号。
检测过程：
传感器上叶1材料为掺杂了铌酸锂纳米粒子的导电橡胶材料加工制成，因此传感器上叶1既具有弹性，又具有压电材料的压力生电特性。传感器上叶1的下表面被喷镀成镜面，能够对传感器下叶2发射的激光产生反射效应。
声波传输至传感器上叶1时，由于声波的振动，传感器上叶1产生摆动，摆动的幅度与声波的强度呈现一定的关系。
由于上叶的摆动，此时会产生两组响应的信号：(a)上叶的形变产生的压电响应信号；(b)上叶的形变，导致其下表面的镜面反射激光信号产生响应信号；
由下叶的激光接收器接收激光反射信号，在未检测时刻和检测时刻，计算接收到信号的激光峰值信号偏差，用于被测声波强度的表征。
对于上叶由于形变而产生的压电信号，则是作为下叶激光接收信号测量的跟踪信号。如果是下叶激光测量到激光峰值信号较大，那么对应的压电信号就应该越大，如果压电信号不能与激光峰值信号成比例，那么该检测结果则可能是不准确的，可能是由干扰信号引起的。
在检测过程中，传感器的检测状态分为两种，一种是初始状态，就是图2中实线所示的机械位置，此时激光经由激光发射器出射到传感器上叶1上，传感器上叶1没有感知到声波的振动，因此稳定于初始位置，此时光纤的CCD端口检测到的是初始信号。二种是位移状态，如图3所示，当检测端口出现细胞动作信号到时候，传感器上叶1受到声波的振动信号，产生微弱位移，此时从激光接收器到传感器上叶1的距离就会发生变化，因此，反射激光的参数指标就会产生变化，根据这些变化的参数指标，可以实现声波微弱信号的测量。
将声波传感器应用在测量风速上，公式推导过程如下：
定义空气收到风速引起的膨胀系数β为
其中，ΔV＝π(ΔR)2L是气体收到风压的情况下所产生的半径变化ΔR而导致的体积变化，V是半径为R的气体体积，ΔT是气体温度的变化，其计算方法如下：
其中Eli为光能量，ρ为气体密度，l为ΔT内气体的走行长度。
ΔR定义为：
声波的峰值位移Bs(r)变化为：
其中，r为被测量物到传感器的距离，
传感器所感受到的声压近似为
总结方程(41)和(42)得出风速Sw的算法：
其中，β为非线性导联系数。
若先根据采用传感器测定Bs(r)，然后推导出ΔV的值，然后代入(7)式计算出风速；
传感器的精确度验证实验过程：
①实验检测以下五档风速(mm/s)：2.2×10-4、1.1×10-4，0.6×10-4，0.3×10-4，0.15×10-4，每档风速平行测量20次，总共100次测量；
②采用传感器开展检测实验，总共测量得到100个实验数据；
③对比每个样本的实验数据与该细胞浓度条件下的真实值，并计算误差，误差在≤5％的，认为其为准确的；反之检测结果是不准确的；
④统计结果显示，100个检测样本的实验结果中5个样本的检测结果误差大于5％，被列入测不准的样本集；其余95个样本的检测数值是准确的，因此得到检测精确度为95％。
本发明提供一种基于声波传感器测量风速的方法，先通过声波传感器检测声波，再将声波换算成风速，这样的方法能够精密测量微弱的风速。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，包括如下过程：
步骤一，采用声波传感器测定Bs(r)，
采用声波传感器检测声波的信号，然后从声波检测信号中观察出在初始时刻和检测时刻这两个时间节点下的声波峰值，这两个声波峰值的差值为Bs(r)；
所述声波传感器，包括：感知声波振动并能够反射激光的传感器上叶，光源，将光源的激光发射到传感器上叶并接收传感器上叶反射激光的传感器下叶，连接于传感器下叶的CCD探头，连接于所述CCD探头的CCD检测端口；
步骤二，再将Bs(r)代入公式：推导出ΔV的值，
其中，V是半径为R的气体体积，Eli为光能量，ρ为气体密度，l为ΔT内气体的走行长度，ΔT是气体温度的变化，r为被测量物到传感器的距离；
步骤三，将ΔV的值，代入公式：计算出风速，其中，V是半径为R的气体体积，Eli为光能量，ρ为气体密度，l为ΔT内气体的走行长度，ΔT是气体温度的变化，r为被测量物到传感器的距离，β为非线性导联系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，所述传感器上叶组成有：弹力压电材料本体，位于所述弹力压电材料本体的下表面并能够对传感器下叶发射的激光产生反射效应的镜面层。
3.根据权利要求2所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，所述弹力压电材料由导电橡胶材料掺杂铌酸锂纳米粒子加工制成。
4.根据权利要求2所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，所述镜面层为喷镀镜面。
5.根据权利要求1所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，传感器下叶为光纤发射接收探头阵列，所述光纤发射接收探头阵列由多个激光收发器集成单元构成。
6.根据权利要求5所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，所述激光收发器集成单元包括：将光源的激光发射到传感器上叶的激光发射器和激光接收器。
7.根据权利要求6所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，所述激光发射器由高通量导光的光纤材料制成。
8.根据权利要求6所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，所述激光接收器采用InGAs探测器。
9.根据权利要求1所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，所述光源为不可见红外激光，波长为1064nm。
10.根据权利要求1所述的一种基于声波传感器测量风速的方法，其特征在于，还包括：连接于所述传感器上叶和传感器下叶之间的固定中轴。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910312832.XA CN109975579A (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 一种基于声波传感器测量风速的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910312832.XA CN109975579A (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 一种基于声波传感器测量风速的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109975579A true CN109975579A (zh) | 2019-07-05 |
Family
ID=67085249
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910312832.XA Pending CN109975579A (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 一种基于声波传感器测量风速的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109975579A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115600639A (zh) * | 2022-09-30 | 2023-01-13 | 国网四川省电力公司眉山供电公司（Cn） | 一种风速传感器、输电线路风速预测方法及预警系统 |
-
2019
- 2019-04-18 CN CN201910312832.XA patent/CN109975579A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115600639A (zh) * | 2022-09-30 | 2023-01-13 | 国网四川省电力公司眉山供电公司（Cn） | 一种风速传感器、输电线路风速预测方法及预警系统 |
| CN115600639B (zh) * | 2022-09-30 | 2023-11-14 | 国网四川省电力公司眉山供电公司 | 一种风速传感器、输电线路风速预测方法及预警系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103644953B (zh) | 一种透明液体液位测量方法及实现装置 | |
| CN102353612B (zh) | 一种压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度传感器 | |
| CN111638521B (zh) | 一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法 | |
| CN203275373U (zh) | 一种非金属超声检测仪校准装置 | |
| CN106209221B (zh) | 一种光斑质心提取精度的测量装置及测量方法 | |
| CN115015039A (zh) | 一种面密度检测系统及方法 | |
| CN109001487B (zh) | 一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统及方法 | |
| CN102520019A (zh) | 一种谐振式露点测量方法 | |
| CN111157065A (zh) | 气体超声流量计超声波信号传输回路中声延时测量方法 | |
| CN102288779B (zh) | 一种高精度抗干扰超声波风速风向测量方法 | |
| CN109975579A (zh) | 一种基于声波传感器测量风速的方法 | |
| CN111189512A (zh) | 基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置及方法 | |
| CN110672263A (zh) | 一种冲击波压力传感器现场校准装置及方法 | |
| CN109490417A (zh) | 一种金属材料平面各项异性超声检测方法 | |
| CN109724727B (zh) | 燃气轮机曲面叶片残余应力测量方法及其装置 | |
| Battista et al. | Preliminary evaluation of a fiber-optic sensor for flow measurements in pulmonary ventilators | |
| CN103487120B (zh) | 粮食籽粒称重传感器和粮食籽粒千粒重检测装置及方法 | |
| CN102980941B (zh) | 一种利用声速变化的超声气体相对湿度检测方法及装置 | |
| CN210690481U (zh) | 一种原油含水率超声检测仪 | |
| CN206095360U (zh) | 一种测量液氮罐中液面高度的装置 | |
| CN205785676U (zh) | 啤酒瓶真空泄漏在线检测系统 | |
| CN204679522U (zh) | 一种在大空间内对气流流速进行测量的装置 | |
| CN203224419U (zh) | 液体密度仪 | |
| CN203745361U (zh) | 同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪 | |
| CN201788170U (zh) | 基于rbf人工神经网络的saw气体传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190705 |