基于超声波传感器的风速测量方法研究

摘要

超声波测风速现在已经成为开源气体流场流速的重要的方法，超声波风速仪可以适应恶劣的自然环境并保持较高的精度，同时它也具有较宽的测量范围等优点，广泛应用在现代农业、工业生产、航空航天、军事活动及气象科学等领域。
　　 本文对传统时差法进行改进，设计一种基于超声波传感器的自标定时差法和希尔伯特提取包络线-小波变换提取突变点的超声波信号处理方法。本文对风速测量方法和对超声波接收信号的处理方法进行概述，同时分析相应方法的优点和不足，为了提高风速风向测量系统的精度和实用性，提出以ARM11嵌入式平台的超声波风速风向仪的设计方案。根据2-D模型的结构设计出相关的超声波信号的发生、超声波信号激励信号的放大、阻抗匹配、前置放大器、滤波器、扩展的地磁模块、气压模块和相应接口的硬件电路。根据硬件结构设计基于Linux系统上的人机界面应用程序程序、（Ⅱ）C驱动程序、SPI驱动程序、触摸屏驱动、超声波信号处理的应用程序软件开发。设计了一款高精度、可移动、抗干扰、低成本的模块化风速风向测量仪。
　　 通过实验验证了改进的超声波自标定时差法和超声波信号处理方法的正确性，对风速、风向、温度、气压、风向表盘指针指向做了标定。测量风速的精度提高到0.01m/s，风向的精度提升到0.1°，能够适应大多数测量风速场合。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 选题目的及意义

1．2 国内外研究现状分析

1．3 论文的主要研究内容及结构

第2章 超声波风速风向检测的研究方法

2．1 超声波传感器的原理

2．1．1 超声波的概念

2．1．2 超声波的特性

2．2 用超声波传感器测量流速的主要方法

2．2．1 涡街法测量气流流速

2．2．2 相关函数法测量气流流速

2．2．3 多普勒法测量气流流速

2．2．4 时差法测量气流流速及改进方法

2．3 本章小结

第3章 超声波风速风向仪的整体设计

3．1 设计方案

3．1．1 2-D模型设计

3．1．2 风向定位的数字指北针设计

3．1．3 大气压力设计

3．2 系统的硬件设计

3．2．1 超声波前端信号发生总体设计

3．2．2 升压模块设计

3．2．3 超声波换能器的选型和阻抗匹配

3．2．4 前置可调增益放大器

3．2．4 有源滤波模块设计

3．2．5 AD采集模块设计

3．2．5 地磁模块设计

3．2．6 气压和温度模块设计

3．3 ARM11平台选型设计

3．4 本章小结

第4章 超声波风速风向系统信号处理方法

4．1 超声波采样信号

4．2 超声波接收信号处理方法

4．2．1 直接测量阈值法

4．2．2 傅里叶频域法

4．2．3 小波变换法

4．2．4 希尔伯特提取包络线法

4．4 本章小结

第5章 超声波风速风向系统软件的设计

5．1 Idea6410开发平台

5．1．1 整个系统平台的搭建

5．1．2 内核的配置与编译

5．1．3 建立根文件系统

5．2 系统驱动设计

5．2．1 IIC驱动设计

5．2．2 SPI驱动设计

5．2．3 时钟驱动设计

5．3 QT人机界面设计

5．3．1 QT编程界面的搭建

5．3．2 QT的设计流程

5．3．3 希尔-小波变换的软件实现

5．3．4 QT的波形显示界面

5．3．5 QT的风向显示界面

5．3．6 QT的信息与槽

5．4 本章小结

第6章 系统的性能指标及实验结果

6．1 系统的启动流程

6．2 系统的性能指标

6．2．1 产品的工艺

6．2．2 超声波风速风向仪的性能和适应性

6．3 系统实验数据

6．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

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