三维超声波换能器测风阵列研究

针对三维测风技术中常用的垂直正交测风阵列在消除阴影效应影响方面的缺陷,根据流场特性,设计了一种基于特殊四面体棱边构建的非正交测风阵列。该阵列旨在降低尾迹区湍流对测风路径平均风速的影响,并且对绕流干扰严重的测风路径进行数据补偿。利用GAMBIT软件建立测风阵列模型,通过FLUENT软件改变流场内气体流速和雷诺数等环境参数,仿真两种阵列在低速层流区和高速湍流区的不同性能,获取了速度分布云图和三组换能器所在路径速度折线图,说明了非正交测风阵列能够有效提高三维测风的精度。     

基于TDC-GP21高精度三维测风系统设计

针对快速准确测量风速和风向的问题,采用TDC-GP21高精度时间测量芯片和MSP430F413单片机控制芯片,设计了三维超声波测风系统。利用三对超声波换能器构成三维阵列,采用时差法测量风速和风向。该文介绍了三维超声波测风系统总体结构,超声波驱动电路和超声波接收电路以及风速和风向测量的软件流程。     

基于多旋翼无人机的正交式风压矢量分解测风法

针对多旋翼无人机平台上的测风设备会受到旋翼扰流干扰的问题,基于伯努利方程提出了一种适用于多旋翼无人机的利用正交式风压矢量分解反演风速风向的算法,并通过设计感压腔的布局与结构进一步降低了旋翼扰流的影响。利用Space claim和Meshing软件建立测风模型,通过Fluent软件改变流场内气流的速度与方向,对该测风法在不同流场中进行了仿真研究。在实际测量中,当风速高于2 m/s时正交式风压矢量分解测风法的测风速误差均保持在10%以内,证明了该法可以有效降低旋翼扰流对测风的干扰,实现高精度测风。     

基于二次相关的超声波风速风向测量方法

为解决超声波测风仪存在的抑制噪声能力不足、受环境温湿度等影响导致稳定性差等问题,提出一种基于二次相关算法的三阵元超声波测风方法。首先结合超声波测风原理设计了一种三阵元测风结构,该结构包含3个收发一体式超声波换能器;其次依据该系统结构给出一种基于二次相关的超声波传播时间测量方法,利用二次相关算法对噪声抑制更强的性能可有效提高风速风向测量的精度,并从理论上说明了所提测风方法不受超声波本身传播速度即环境温湿度对其的影响。最后通过模拟仿真实验和搭建的实际测量系统对所提方法进行了有效性验证。在实际测量中风速风向角的最大测量误差分别为2.0%和2.1°,基本达到了超声波风速风向测量的精度要求。     

超声风速仪的电路研究与开发

风对飞机的起落和船的航行航线影响很大。超声波测风技术是基于向量分析法。文章对超声波风速测量的基本原理和实现方法进行了详细阐述,通过吸收国内外先进超声测量技术,设计了一种基于传统时差法的超声波测风速风向的电路。采用高性能、具有较小温度-声速系数和声阻抗的超声波换能器,正三角形安装方式。设计合理实用,具有高的精度与稳定性。传感器结构比传统的十字型有突出的优点。     

基于高阶累积量的阵列式超声波传感器风速风向测量

针对现有超声波测风系统在实际应用中环境噪声抑制效果差、风速和风向测量精度不高的问题,提出了一种基于高阶累积量的阵列式超声波传感器风速风向测量方法。所提方法采用一种由一个超声波发射阵元和五个超声波接收阵元组成的阵列式超声波测风系统结构,并在此系统结构上,采用基于高阶累积量的多重信号分类(MUSIC)算法,抑制高斯白噪声及高斯色噪声的干扰,实现高斯混合噪声下风速风向的有效测量。所提方法与应用相关算法的测风方法相比,具有更高的噪声抑制能力及更高的风速风向测量精度。最后通过仿真实验与实测数据验证实验对所提方法的有效性进行了验证与分析,实验结果表明风速和风向角的测量误差分别为2.3%和-2°,基本达到了超声波测风方法的技术要求。     

移动式超声波风速风向测量系统

为了解决传统式测风仪器无法应用于航海和应急式车载自动气象站等测风领域的问题,设计了一种移动式超声波风速风向测量系统,其需要解决的问题有:随着载体的移动,基座的方位和速度发生变化,因此,需要在对系统方位和载体速度进行测定的同时,对测量到的风速风向参数进行系统修正.系统包括:利用3对超声波换能器完成三维风速风向测量,通过电子罗盘和系统自带的速度测量单元分别实现方位和速度测量,通过微处理器实现风速风向的校正及测量数据的传输.     

基于双阵元超声波接收阵列的风矢量测量

针对当前超声波测风仪测量精度不高及抑制噪声干扰能力不强的问题,提出了一种双阵元超声波接收阵列结构及基于该结构的风矢量测量方法.首先,设计了一种基于超声波测风原理的风速风向测量系统结构,该结构中包含一个超声波发射阵元和两个超声波接收阵元;然后,依据该系统结构给出了一种基于相关方法的超声波时延估计算法,根据超声波传输时间与...     

复合屋面板钢构体系风振特性试验

针对轻型屋面结构的抗风敏感性问题,采用风洞测振试验研究复合屋面板钢构体系的风振特性。在低湍流度均匀流场中,对某复合屋面板钢构体系在两种典型风攻角、4种典型风偏角和9个不同风速下的屋面板中间两个测点的风致位移响应进行测试,对动态位移时程、位移统计结果、位移响应谱和位移风振系数进行了分析。研究结果表明,在低湍流度均匀流场中,屋面板钢构体系的平均位移和均方根位移随风速增加而增大,风攻角和风偏角对屋面风振响应影响很大,最不利风向角下的位移风振系数为1.1～1.4。特征紊流是导致不同风攻角及风偏角屋面板位移均方根响应差异的主要因素,在设计中应重点关注屋面周边局部区域。     

绞吸挖泥船水流作用力数值模拟

基于雷诺时均Navier-Stokes方程对绞吸挖泥船周边流场进行三维数值模拟计算,采用重整化群RNGk-□湍流模型,运用Fluent软件针对绞吸挖泥船在不同来流角度及速度下的水流阻力特性进行定常数值计算,获得了不同来流角度及速度下的水流作用力及阻力系数变化规律,为绞吸挖泥船的设计及施工提供了依据.     

基于时差法的高精度超声波风速风向测量系统

针对风速风向对悬索桥的安全性影响,为了实现对悬索桥风速风向的精确监测,设计了基于时差法的高精度超声波风速风向测量系统.系统采用STM32为控制单元,超声波换能器为敏感单元,实现发送和接收超声波信号,MS1022高精度时间测量模块为测试单元,实现超声波飞行时间的计量,LoRa无线模块为数据传输单元,实现风速风向数据上传至...     

Wind speed and direction measurement based on arc ultrasonic sensor array signal processing algorithm

This article investigates a kind of method to measure the wind speed and the wind direction, which is based on arc ultrasonic sensor array and combined with array signal processing algorithm. In the proposed method, a new arc ultrasonic array structure is introduced and the array manifold is derived firstly. On this basis, the measurement of the wind speed and the wind direction is analyzed and discussed by means of the basic idea of the classic MUSIC (Multiple Signal Classification) algorithm, which achieves the measurements of the 360° wind direction with resolution of 1° and 0–60 m/s wind speed with resolution of 0.1 m/s. The implementation of the proposed method is elaborated through the theoretical derivation and corresponding discussion. Besides, the simulation experiments are presented to show the feasibility of the proposed method. The theoretical analysis and simulation results indicate that the proposed method has superiority on anti-noise performance and improves the wind measurement accuracy.     

A novel ultrasonic array signal processing scheme for wind measurement

This article presents a novel ultrasonic array signal processing scheme for wind speed and wind direction measurement. Two ultrasonic array structures are illustrated and the corresponding array signal processing method is proposed. The statistical performance of proposed scheme, such as estimation variance and Cramer Rao Bound (CRB), is derived. The ambiguity problem for traditional uniform line array (ULA) structure is theoretically discussed. The hardware experiment results verify the feasibility of the proposed wind measurement method.     

矩阵换能器超声三维成像方法研究*

针对常规超声检测难以直观地显示被检对象缺陷的形状及走向等问题,开展矩阵换能器超声三维成像方法研究。超声三维成像技术具有直观显示被测对象内部缺陷三维特征的优点,基于矩阵换能器的超声三维成像方法具有扫查速度快、分辨率高等优点,是当前超声三维成像技术的研究热点。本文介绍了矩阵换能器体扫查原理及其控制方法;提出了矩阵换能器体扫查时三维体数据采集方法和数据融合算法;基于矩阵换能器和相控阵板卡系统对铝标样等试样进行了体扫查检测实验,采用等值面和体绘制两种算法对缺陷进行三维成像,并对单一缺陷进行了定量分析,定量精度较高。研究结果表明,矩阵换能器超声三维成像方法能够表征缺陷的三维形貌特征,在无需移动换能器的情况下便可实现缺陷三维检测,是超声三维检测的有效方法。     

Study of acoustic transducer protrusion and recess effects on ultrasonic flowmeter measurement by numerical simulation

In order to improve the measurement performance of dry calibration on ultrasonic flowmeter, the Computational Fluid Dynamic (CFD) modeling approach of the effect on transducer protrusion and recess are mainly discussed in the paper while its effects on ultrasonic flowmeter accuracy are also presented. Through comparing simulation results to experimental data, the CFD modeling is firstly determined. Then, detail analysis on flow field for two typical transducer installations are obtained based on the CFD method. Besides, the mechanism of both flow effects on measurement accuracy are explained and compared respectively, which indicates that negative velocities generated at protrusion and recess locations are the indispensable factors for negative measurement errors. Finally, comparison results show that smaller measurement error can be achieved with protruding transducers, which is a better arrangement type of transducer for ultrasonic flowmeters.