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關于風速論文范文資料 與基于SOPC技術的超聲波風速風向檢測系統有關論文參考文獻

版權:原創標記原創 主題:風速范文 科目:畢業論文 2020-04-04

《基于SOPC技術的超聲波風速風向檢測系統》:本文關于風速論文范文,可以做為相關論文參考文獻,與寫作提綱思路參考。

摘 要:針對風速風向檢測儀應具有精度高、可靠性強、檢測速度快、檢測范圍大等特點,設計基于可編程片上系統(System On a Programmable Chip, SOPC)技術的超聲波風向風速檢測系統.該系統以超聲波探測器為風速風向檢測傳感器,建立超聲波風速風向檢測算法,實現二維的風速風向檢測.該系統對風速風向檢測儀的發展具有參考意義.

關鍵詞: 可編程片上系統; 超聲波; 風速風向檢測

中圖分類號:TP212;TP273文獻標志碼:A

Ultrasonic wind velocity and direction detecting system based on SOPC

GAN Jiangying, GONG Zhaogang, ZHANG Xiaohua,SHAO Lihua, FU Huihui

(Information Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract: In view of the characteristics which instrument for detecting velocity and direction of wind should he, including high precision, good reliability, high working speed and wide detection range, an ultrasonic wind velocity and direction detecting system based on System On a Programmable Chip (SOPC) is designed. In this system, ultrasonic detector is used as sensor for detecting wind speed and direction, an algorithm for computing wind velocity and direction is established, and SOPC technology is used to get two dimensional wind speed and direction. The system provides some references for development of wind speed and direction detecting instrument.

Key words:system on a programmable chip; ultrasonic; wind velocity and direction detection

0 引 言

風速和風向是船舶導航非常重要的因素.船舶在航行過程中,不僅需參考氣象傳真以確定經濟安全的航線,而且需隨時測出相對于船的風速、風向,以便采取最佳航向,糾正風流壓差的影響.[1]

在風速、風向的檢測方法中,傳統的機械式測風方法,因其歷史悠久且有完善的理論基礎和檢測數據,是大多数人熟悉的方法.而利用超聲波測風速有速度快、精度高、分辨率高、使用不需校正等優點,目前已成為1種十分重要的檢測方法.

采用超聲波探測器作為風速、風向傳感器時,風向的獲得需要檢測的信號多.由于超聲波傳播速度易受空氣溫度影響,為使檢測結果更準確,本文采用相互垂直放置的2對超聲波探頭進行檢測.設計采用FPGA作為信號處理平臺,同時編寫自定義IP核處理信號,通過硬件加速加快檢測速度和提高計算精度.

1 超聲波水平風速、風向的檢測原理

1.1 超聲波檢測風速基本原理

超聲波在空氣中傳播時,順風與逆風方向存在速度差.當傳播距離固定時,此速度差反映為1個時間差,而時間差與待測風速有線性關系.[2]

對于特定風向傳播(如東西方向或南北方向),可選用1對收發一體的超聲波探頭,保持2探頭距離不變(東西或南北方向放置),以固定頻率順序發射超聲波,檢測2個方向上的超聲波到達時間,可以得到超聲波沿順風方向和逆風方向的傳播速度,經過系統處理換算得風速值,原理見圖1.首先將探頭1作為發射探頭,探頭2作為接收探頭,檢測得到1個傳播時間,然后將探頭2作為發射探頭,探頭1作為接收探頭,得到相反方向上的另1個傳播時間.

圖1 超聲波檢測風速原理

設2超聲波收發器的距離為d,順風傳輸時間為t12,逆風傳輸時間為t21,風速為vw,超聲波在無風時的傳播速度為vs,得:[JB({][SX(]d[]t12[SX)]等于vs+vw

[SX(]d[]t21[SX)]等于vs-vw[JB)]

化簡可得:vw等于[SX(]d[]2[SX)][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))][JY](1)

此方法能夠準確地檢測到一維風速以及超聲波的速度.[3]但在實際檢測中,風不會只沿著1個方向,在空曠的地方如氣象站、海上等,風速、風向隨機變化,當超聲波探頭安裝固定后,用此方法很難測出風速.

1.2 超聲波二維風速、風向檢測原理

為測出隨機變化的風速、風向,采取相互垂直放置的2對收發一體的超聲波探頭,保持探頭距離不變,以固定頻率發射超聲波并檢測其在2對順、逆方向上的傳播時間(t12,t21和t34,t43),見圖2.經計算,可得到風速、風向值.此方法所測為平均的水平風,在坐標系中表示出風速、風向,見圖3.

圖2 超聲波二維風速、風向檢測原理

圖3 風速、風向檢測坐標

圖3中x軸和y軸正方向分別代表由西向東和由南向北.2個方向上風的分速度分別記為vw,x和vw,y,vw為實際風速,超聲波在x正方向、x負方向、y正方向和y負方向的傳播時間分別記為t12,t21,t34和t43,南北(或東西) 2超聲收發器的距離均為d,超聲波傳播速度為vs.根據式(1),得東西方向上風的分速vw,x等于[SX(]d[]2[SX)][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))],南北方向上風的分速vw,y等于[SX(]d[]2[SX)][JB((]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))].

根据实際風速vw與分速度vw,x和vw,y的關系v2w等于v2w,x+v2w,y得實際風速vw等于[SX(]d[]2[SX)][KF(][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))]2+[JB((][SX(]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))]2[KF)][JY](2)風向θ表達式為cos θ等于vw,x[]vw[SX)]將東西方向上風的分速及式(2)求得的實際風速代入得θ等于arc cos[SX(][JB(|][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB)|][][KF(][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))]2+[JB((][SX(]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))]2[KF)][SX)][JY](3)隨著風向從0°~360°變化,得風向θ等于[JB({]kπ+arc cos[SX(][JB(|][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB)|][][KF(][JB((][SX(]1[]t12[SX)]-[SX(]1[]t21[SX)][JB))]2+[JB((][SX(]1[]t34[SX)]-[SX(]1[]t43[SX)][JB))]2[KF)][SX)]

風速論文參考資料:

結論:基于SOPC技術的超聲波風速風向檢測系統為關于本文可作為相關專業風速論文寫作研究的大學碩士與本科畢業論文風速論文開題報告范文和職稱論文參考文獻資料。

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