热损失型风速传感器流体动力学分析与实验研究

为解决传统机械式风速计难以准确测量低风速的难题,设计一种热损失型风速传感器。该传感器主要由Cortex-M3 ARM处理器、高精度低噪声测量电路及恒功率加热电路等组成。通过计算流体动力学(CFD)方法确定探头加热功率,并得到双探头温度差值与风速的曲线关系。搭建一套基于高低温试验箱的实验平台,对-10～50℃范围内的传感器温度特性进行测试,结合L-M算法对温漂进行修正。实验结果表明,在0～5 m/s范围内,该风速传感器的均方根误差(RMSE)为0.09 m/s,在低风速测量领域具有一定的应用潜力。     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。     

全光纤相干多普勒连续激光多普勒风速仪研究

介绍了一套全光纤相干连续激光多普勒风速仪,该激光风速仪使用了1.5um光纤激光器作为激光光源,其输出能量为~1W,利用保偏环形器、耦合器等器件搭建了一套同轴收发的风速仪系统。利用距离望远镜~5m的转盘对系统进行了校准实验,实验结果表明系统的速度分辨率和测量与转盘实际速度的线性拟合系数分别为0.021m/s和0.99。该系统还成功实现大气风速的测量（~25m处的大气）。     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。     

利用Fizeau干涉仪进行激光风速测量的原理分析

导出了激光多普勒雷达基于Fizeau干涉仪及CCD探测器进行测风时,每个CCD元最终接收到信号的一般表达式.对系统的参数做了整体优化,得出一组优化参数.在0～3 km高度,得出系统风速误差小于0.16 m/s.对最终的风速反演分别运用最小二乘拟合法和重心法.分析表明最小二乘拟合法只适用于风速较小的情况.详细分析了运用重心法计算风速必然会引起的误差,并提出一种解决方法.修正后,在±30 m/s风速范围内,该方法产生的误差小于0.25 m/s.     

相干多普勒激光雷达风场反演方法研究与实验印证

提出基于共轭梯度算法的速度方位显示(VAD)风场反演方法,应用最优化理论,将共轭梯度算法代替传统VAD方法中的傅里叶级数展开来求取最优解,并针对算法在风场反演应用时存在不收敛于最优解的问题,使用Hessian矩阵对算法进行了修正。同时开展了多普勒激光雷达与符合IEC 61400-12-1国际标准的高精度风杯风速计的43天对比实验,结果显示,当激光雷达的方位角扫描范围为60°、径向个数为7个时,两者的风速、风向相关系数分别为0.991和0.998,风速、风向标准偏差分别为0.52m/s和5.1°,风速、风向偏差分别为-0.02m/s和3.6°。对比实验结果表明,基于共轭梯度算法的VAD风场反演方法使用较小的扫描方位角仍能保证其测量的准确性满足国际标准,具有更强的适用性,同时印证了激光雷达系统的测量性能,为动态复杂风场的监测提供了更佳的选择。     

一种基于CMOS工艺的二维风速传感器的设计和测试

给出了一种完全基于CM O S工艺的、能同时测量风速和风向的二维测风传感器的结构、工作原理及其测试结果。该传感器采用恒温差工作模式,热堆输出电压平均值反映芯片温度和环境温度的差,省去了测温二极管。风速测量采用热损失型原理,因此不存在速度量程问题;同时通过四周对称分布热堆的相对差分输出得到风向,风向的测试和风速无关。测试电路是由普通运放电路组成的控制和测试系统。经过风洞测试,风速的测量可以达到23m/s,风速分辨率达到0.5 m/s,风速的最大误差为0.5 m/s。传感器的反应时间为3~5秒,整个功率损耗约为500 mW。     

相干多普勒测风激光雷达研究

研制了一套用于大气风速测量的1.064 μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入 Nd∶YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ,脉冲宽度(FWHM)为80 ns。 利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s),并对大气视向风速进行了测量(探测距离可 到达400 m)。在对系统进行初步优化后,获得了30 ～ 870 m的视向风速分布曲线。     

车载直接探测多普勒测风激光雷达光学鉴频器

基于建立的车载直接探测激光雷达系统,对接收光学鉴频器进行了研究。针对边界层、对流层和平流层不同的气溶胶和大气分子浓度以及风速动态范围,同时采用直接探测的两种主要技术。利用多光束菲索(Fizeau)干涉仪(MFI)和阵列光电倍增管(PMT),接收气溶胶散射信号,获得边界层风速。采用双法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(DFP)和光电倍增管探测器,分析分子散射信号,得到对流层风场。使用实际的激光雷达系统参数和大气模型参数,对两个鉴频器进行了优化设计,分析了它们的风速测量灵敏度和精度。多光束菲索干涉仪鉴频器系统在±50 m/s风速范围内测量灵敏度为1.3%/(m.s-1),高度分辨率为200 m,边界层内风速测量误差小于1 m/s。双法布里-珀罗干涉仪鉴频器系统在±100 m/s风速范围内的测量灵敏度约为0.3%/(m.s-1),高度分辨率为1000 m,对流层风速测量误差小于3 m/s。     

一种基于MEMS工艺的二维风速传感器的设计

给出了一种基于MEMS工艺的二维热风速传感器的设计、制造以及测试结果.该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差的方法测量风速和风向.本传感器采用MEMS剥离工艺在玻璃衬底上同时加工出加热电阻和测温电阻,利用简单可靠的加工工艺实现了热隔离和高灵敏度.经过风洞风速风向测试,得知传感器的风速量程超过10m/s,360°范围内风向测量误差不超过8°.传感器的响应时间不超过1s,功耗为10mW.     

电站锅炉风粉计算机在线监测系统

火力发电厂锅炉一、二次风速和风量调整的依据大都采用传统的静压表测量,以间接反映其工况。由于静压值与风速之间没有一个确定的关系用来计算出风速及风量值,很难根据静压值将各燃烧器的风煤参数调整到合理值,因而采用锅炉风粉计算机在线监测系统,可实现实时监测,使锅炉达到均衡燃烧状态,使锅炉的燃烧更加稳定。由于该监测系统稳定准确,锅炉自动投入率达100%,因此能够准确判断燃烧器的负荷分配、堵管、断粉及自燃现象,可指导燃烧调整,使风粉均匀合理的配置,且有明显的节能效果和很高的实用价值。     

洁净室中高效过滤器出风效果的模拟分析

根据计算流体力学的相关原理,以CFD软件为工具,对洁净室高效空气过滤器应用的送风口的散流板进行研究,得出其出风效果及速度衰减曲线等,更加准确地模拟分析了不同形式散流板在洁净室中的速度流场特性。     

A novel FBG velocimeter with wind speed and temperature synchronous measurement

Based on frequency demodulation method, a novel fiber Bragg grating (FBG) velocimeter which can achieve wind speed and temperature synchronous measurement is proposed in this paper. The wind speed and temperature synchronous measurement is realized by cup anemometer (CA) signal modulation and Hilbert-Huang transformation (HHT) signal processing. The working principle of the novel FBG velocimeter is demonstrated and its theory calculation model is also set up by using basic mechanical knowledge and blade element momentum (BEM). Further, calibration experiment is carried out on one prototype of the FBG velocimeter to obtain its measurement performance. HHT is introduced to deal with calibration experiment data. After data analyses, the results show that the novel FBG velocimter can achieve high-precision wind speed measurement of 0.012 m/s with minimum detection limit of 0.41 m/s, and its temperature detection precision is 10.6 pm/°C.     

高光学效率相干多普勒激光雷达的测风性能分析与测试

近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备,可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 m波段,望远镜直径50 mm,时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比,验证了系统测量距离达到5 km。之后,通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980,标准差为0.235 m/s,风向数据相关系数达0.993,标准差为3.105。表明该相干激光雷达具有优良的性能,可以应用于大气边界层内的风场探测。     

用于风力发电机偏航控制的激光测风系统设计与试验

为实现风力发电机迎风信息的精确测量,采用连续波相干探测技术,设计了针对风力发电机偏航控制需求的激光测风系统。该系统的扫描装置中由直驱电机带动15°顶角楔形镜旋转实现激光对大气的圆锥扫描,设置扫描一圈用时为15 s,每圈采样点数为30个,利用正弦拟合方法反演风力发电机前方的风场信息。将激光测风系统安装在深圳市气象观测梯度塔下,与塔上超声波风速仪进行了对比测风试验。经过数据分析,水平风速相关系数达0.98,标准差为0.22 m/s,风向相关系数达0.97,标准差为3.04°,表明所设计的激光测风系统性能优良,工作稳定可靠,能够为风力发电机提供精确风场参数,提高风能的利用效率。     

梯度下降VAD方法的单多普勒激光雷达风场探测技术

速度方位显示（Velocity-Azimuth Display,VAD）方法作为一种基于单部激光雷达和同一高度风场均匀的假设前提来反演风场的通用方法已经在业界得到广泛应用,但其对激光雷达扫描方位角的范围和径向个数的严格要求在一定程度上影响了激光雷达的测量效率。基于此,提出了一种基于梯度下降算法的VAD风场反演方法。使用梯度下降算法代替目前VAD中的傅里叶级数展开求解的方法。在分析了算法收敛性影响因素的基础上,确定了算法迭代步长和迭代次数,从而改善了算法的收敛性,提高了运算速度。与标准风杯风速计（IEC 61400-12-1）的同步对比实验结果显示:该方法在激光雷达扫描范围降低到60和扫描径向个数降低到7个的情况下,10 min平均的风速、风向相关系数达到0.99,风速标准偏差、偏差分别为0.52 m/s和0.02 m/s,风向的标准偏差和偏差分别为5.1和3.6。结果证明了该方法在提高激光雷达测量效率的同时仍能保证其准确性,具有更强的适用性,可有效提升系统对于动态大气风场监测能力。     

超声速二次喉道扩压器流动特性的数值模拟

超声速二次喉道扩压器是超声速地面试验设备的重要部件,位于超声速风洞试验段下游,能够有效地减小气流能量损失,降低风洞运行的压比。二次喉道扩压器正常工作时,二次喉道处马赫数略大于1,在其下游不远处产生一道正激波变成亚声速流,这样当上游或下游压力出现某种波动时仍能保持稳定工作。本文使用Fluent软件对高空台-二次喉道扩压器流场进行了数值计算,较好地模拟了二次喉道扩压器内流动特性及抗反压特性,分析比较了几何参数对于风洞试验的影响。