基于非线性拟合的自动气象站风向传感器校准控制研究

风向传感器是自动气象站的重要组成元件,由于其运行数据存在的噪声与缺失问题导致测量误差增加,因此设计基于非线性拟合的自动气象站风向传感器校准控制方法。分析自动气象站风向传感器的组成结构和工作原理,构建自动气象站等效模型。采用循环采集的方式获取风向传感器的实时运行数据,通过滤波、缺失补偿等步骤完成数据预处理。以数据预处理结合为基础,利用非线性拟合技术计算风向传感器误差,通过装设风向传感器校准控制器,完成风向传感器校准控制。实验结果表明,所设计方法与传统校准控制方法相比传感器的测量误差降低了0.759°,误差变化率有所下降,即证明了该方法的自动气象站风向传感器校准控制效果好。     

煤矿用超声波式风速风向传感器设计

为了监测煤矿瓦斯突出事故导致的瓦斯逆流情况,应用超声波时差法原理设计了煤矿用超声波式风速风向传感器。该传感器利用超声波发射、接收的时差与风速、风向的关系,经过运算得到被测风向和风速。测试结果表明,该传感器稳定性强,测量精度高,风速测量范围为0.4~15m/s,误差不超过0.3m/s,风向测量范围为0~360°,误差不超过3°。     

风速风向的解算方法研究

为了提高船舶航行中风速风向的测量精度,提出一种风速风向测量误差解算方法。首先利用WXT520气象仪测量风速和风向,因为这其中包含了舰船的航速、航向以及舰船船体倾斜所引入风速、风向的测量误差,所以需要对其进行解算,包括对水平风速的补偿和真风速解算。利用倾角传感器测量船体的姿态补偿水平风速,根据风的来向,确定测量的数据是否有效,再进一步对这些有效数据进行三角换算,由相对风速测量值求解出相对风速真值;进而利用航速和航向,根据三角关系,解算出真风速和真风向。     

倾斜梳齿的MEMS电容式加速度传感器自我标定特性研究

本论文研究MEMS电容式加速度传感器的自我标定方法,模拟机械振动台标定,提高标定效率和降低标定成本,并从理论上分析了DRIE工艺误差对传感器自我标定精度的影响。本文分析的传感器模型梳齿间距为4um,厚度80um,传感器自我标定以模拟幅值为1g的振动台标定为例,针对DRIE工艺加工的高深宽比梳齿电容存在正负侧壁倾斜角α的情况,分析了该倾斜角对梳齿式传感器自我标定的影响。分析结果表明：传感器工作在开环电路时,梳齿的倾斜对传感器自我标定影响明显,且随着倾斜角度的增大而增大。与梳齿完全平行时传感器的自我标定相比,倾斜角为±0.1°时,自我标定误差约为10%;倾斜角为0.5°时,自我标定误差约为27%;倾斜角为-0.5°时,极板发生吸合。表明传感器工作在开环电路时,梳齿的倾斜角对传感器的自我标定影响明显,而传感器工作在闭环电路时,梳齿的倾斜对自我标定的影响明显降低,当倾斜角小于±0.5°时,自我标定的误差小于0.6%,理论误差接近于激光干涉仪绝对标定法的误差(0.5%－1%),证明了自我标定方法的可行性。本文还分析了倾斜角影响自我标定精度的原因以及提出了开环自我标定时减小倾斜角误差的方法,并阐述了具体的修正步骤。     

船舶运动状态下风速风向测量补偿与数字仿真

为了研究船舶运动状态下的风速风向精确测量,设计了一种船舶风速风向动态测量及误差补偿的数字仿真系统。通过对船舶航行状态下的风速风向测量原理进行分析,建立了船舶平面运动的相对风速风向和真风风速风向的解算模型,并根据船舶空间运动的风速风向测量及其误差补偿算法,对船舶横摇、纵摇状态下的风速风向的动态测量和误差补偿进行了数字仿真。数字仿真结果表明,该方法能够消除船舶航行时的运动姿态对风速风向测量带来的影响,为船舶的操纵控制和航行安全提供了精确和可靠的风速风向数据信息。     

CMOS风速风向传感器的设计

介绍了一种CMOS(互补MOS)集成风速风向传感器,使用恒温差(CTD)控制模式将芯片加热,使其中间加热区域的温度高于周围环境(风)温度一定值。该传感器在有风吹过它的表面时能同时测量风速和风向。采用4个串联的热堆测量芯片中心区域的平均温度,这种测温的方法简单、新颖。在简单阐述CMOS硅热流量传感器的工作原理和结构之后,主要介绍驱动和信号读取电路。经过风洞测试,传感器能够测量风速0～23m/s,具有良好的线性度和灵敏度,同时,传感器360°内方向敏感。     

双层反倾线圈结构的直线时栅位移传感器研究

针对前期研究的双层直线时栅位移传感器测量误差成分中四次谐波较大,影响传感器测量精度的问题。根据双层激励线圈的结构特点,提出了一种双层反向倾斜线圈结构的直线时栅位移传感器设计方案。通过构建双层反倾线圈产生磁场的数学模型,分析了双层反向倾斜线圈的磁场状态,并利用电磁场有限元仿真分析双层反倾线圈直线时栅位移传感器中倾斜大小和动定尺之间的气隙对测量误差与误差谐波成分的影响,确定了最优化的设计参数。采用PCB(Printed Circuit Board)工艺研制了78个节距大小的传感器样机并进行了精度测试。实验结果表明,双层反倾斜线圈结构对原双层直线传感器中误差四次谐波抑制效果显著,在同样设置条件下,将原测量误差成分中四次谐波从40μm抑制到7μm,抑制效果达到82.5%。最终经过误差修正后的传感器对极内精度达到±13μm。     

基于GA-BP神经网络温漂补偿的十字正交型热温差式测风仪

为准确测量风速与风向,本文根据十字型导管内上下游温度差求得风速,通过正交分解得到二维空间内任意方向的风速以及风向角,设计了一种十字正交型热温差式测风仪。利用FLUENT软件对传感器周围的温度场分布进行仿真,搭建了测试平台,对不同环境温度、不同风速下测得的上下游温差数据进行拟合,且提出了一种利用遗传算法优化BP神经网络的算法补偿环境温度引起的测量误差。实测结果表明,十字正交型热温差式测风仪精度较高,在测风领域具有一定的应用价值。     

利用GMR效应的电子指南针

介绍了一种基于巨磁电阻材料(G ian t m agnetores istance,GM R)为传感器的电子指南针。由于GM R磁场灵敏度高、易集成、能耗低以及成本低,其潜力明显优于磁通门、磁感应和霍尔效应等其他传感器。本文以GM R为传感器,构筑了水平状态下的电子指南针,精度达到±1;°并在系统中采用加速度计,分析了非水平状态下所产生的误差。     

热式风速计恒温差控制的软件实现及其性能测试

介绍了一种利用软件实现热式风速风向传感器恒温差模式（CTD）控制的方案。传感器系统采用单片机作为主控单元,对芯片温度和环境温度进行采样,并以此为依据调节输出功率,从而实现恒温差状态的控制。实验表明,采用这种软件控制方案,在无风状态下,在-20℃到40℃的环境温度变化范围内,热式风速风向传感器能够基本维持输出信号恒定不变。除此之外,该风速风向传感器系统还可以实现对0~20 m/s风速范围内的风速测量,最大测量误差不超过8%,并且具有低于15 s的响应速度。     

时栅传感器气隙磁导正弦规律变化的调制方法

针对时栅传感器输出信号近似于正弦波中包含各次谐波成分的三角波,提出一种传感器气隙磁导正弦规律性变化的调制方法,来解决谐波成分的干扰、绕组短路等问题对精度的影响。应用微分法对这种新型传感器的数学模型进行计算,构建转子外圆柱面齿形曲线函数f1(θ)和f₂(θ)传感器数学模型,通过电磁场仿真,验证了设计方案的可行性和正确性。分析结果表明,f1(θ)和f₂(θ)型传感器的输出信号能更好的抑制谐波成分和提升正弦波规则性,在0°~6°测量范围内,仿真误差为±25″,对时栅传感器的设计具有重要的借鉴意义。     

基于GA-BP神经网络温漂补偿的十字正交型热温差式测风仪

为准确测量风速与风向,根据十字型导管内上下游温度差求得风速,通过正交分解得到二维空间内任意方向的风速以及风向角,设计了一种十字正交型热温差式测风仪,利用FLUENT 软件对传感器周围的温度场分布进行仿真,搭建了测试平台,对不同环境温度、不同风速下测得的上下游温差数据进行拟合,且提出了一种利用遗传算法优化BP神经网络的算法补偿环境温度引起的测量误差。实测结果表明,十字正交型热温差式测风仪精度较高,在测风领域具有一定的应用价值。     

基于信息融合的移动机器人侧向定位的研究

超声波传感器的入射角对输出有很大的影响,通过实验分析了入射角对输出的影响。采用引入误差补偿因子的方法,标定了传感器的测量模型,使得测量精度大大提高。在此基础上,基于多源信息融合设计了3种移动机器人侧向定位模型。经实验比较证实,引入误差补偿因子的融合模型定位精度高,可以使得距离误差控制在±2.4mm,姿态角误差控制在±0.32°以内。最后,将该融合模型应用于移动机器人的实际控制中,距离误差为±3.7mm、姿态角误差为±0.58°,满足移动机器人定位精度的要求。     

超声波传感技术的矿用多通道智能风速风向仪

针对国内矿井现阶段测风仪器产品测量精准度易受井下潮湿、多尘等复杂条件的影响,提出了一种矿用智能多通道风速风向仪.软件采用多平台分模块设计,利用多段拟合进行测量参数误差修正,将超声波传感器、干湿温度传感器、压力传感器、信号转换电路等集成在风速风向仪手持终端上,实现了风速、风向等待测环境参数的多通道快速精准测量与参数自主校准.通过在测试环境下与传统机械风表的对比测试,结果表明:平均测试误差仅为2.47%,测风效果与稳定性明显高于传统机械风表.     

一种矿用皮托管式风速传感器设计

针对传统风速传感器因井下特殊环境常造成超声波探头性能减弱,不能正确反映环境风速值的问题,提出一种矿用皮托管式风速传感器设计方案,详细介绍了其原理及软硬件设计。该传感器采用S型皮托管测量风的压力,利用差压芯片计算差压信号值,并根据电信号、差压信号、风速之间的对应关系求取风速信息。实验结果表明,在0.4～15m/s风速范围内,该传感器测量误差低于±0.2m/s,且具有较好的温度稳定特性、贮存特性和防潮防堵性能。     

采用热敏电阻器研制风速传感器的设计

介绍了采用负温度系数热敏电阻器为检测元件的风速传感器的测量原理;阐述了风速/电压转换理论、风速测量电路;分析了测量误差。实验测试结果表明:这种风速传感器的各项性能指标均达到设计要求。     

基于椭圆假设的电子罗盘误差补偿方法

研究了一种智能电子罗盘的误差补偿问题。把误差的形成过程假设为从圆到椭圆的变化过程(椭圆假设 ) ,其逆过程就是误差补偿的过程。研究了基于椭圆假设求解误差系数算法和误差补偿方法。该方法使智能电子罗盘容易地实现了自动误差补偿和自动校准 ,大幅度降低了成本。试验结果表明 :椭圆假设符合实际情况 ,补偿效果显著。按此方法对最大误差高达± 2 3.7°的电子罗盘法进行自动补偿后 ,最大剩余误差降至± 0 .4°。根据该方法研制的电子罗盘具有成本低、可靠性高和使用方便的特点。     

基于CFD和BP神经网络的超声测风仪阴影效应补偿研究

风速风向是气象观测的关键性参数,阴影效应对超声测风仪测量风速风向有显著影响.为了消除不同风速风向和温度条件下阴影效应导致的测量误差,结合超声波时差法测风原理提出了一种基于计算流体力学(CFD)仿真和反向传播(BP)神经网络数据处理的阴影效应补偿方法.首先通过CFD仿真软件Fluent对超声测风仪的风场进行模拟分析,获取了受阴影效应影响的风速、风向以及温度样本数据,然后利用这些样本从减小相对误差方面对BP神经网络算法在超声测风仪中应用的性能进行了研究与分析,最后利用超声测风仪风洞实验的测量数据对本文的阴影效应补偿方法的准确性进行了验证.研究结果表明:通过基于CFD和BP神经网络的预测模型对阴影效应进行修正后,测试系统风速风向的测量精度有显著的提升,可满足高精度超声测风的测量需求.本文的研究结果对于高精度超声测风仪的研制有一定的参考价值.     

基于微控制器的风速计在线控制和测量系统设计

针对两种基于对称热电偶结构和基于晶体管的圆形加热条结构的二维集成风速风向微传感器及其风向测量的问题,设计了采用微控制器进行在线控制和利用软件算法实现风速风向测量的传感器系统.系统集微传感器结构、控制与测量电路于一体,显著提高了二维风速风向传感器的在线控制和测量能力及其系统兼容性,并且便于系统扩展功能.测试结果表明,风速计设计满足实际风速和风向的测量要求.     

采用倒封装技术的硅热风速传感器封装的研究

本文给出了一个采用倒封装技术实现的硅热风速传感器的封装结构.该传感器使用铜柱凸点技术,倒装于薄层陶瓷上.利用陶瓷的导热性能实现传感器芯片的加热元件和环境风速的热交换,同时陶瓷又起保护和支撑传感器芯片的作用.测试结果表明,封装后的传感器具有良好的性能.