一种迈克尔逊干涉风速测量装置及其风速计算方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种迈克尔逊干涉风速测量装置及其风速计算方法，包括：检测平台，固定于检测平台上的外壳，设于检测平台上并产生干涉条纹的迈克尔逊干涉组件，两端分别固定于外壳和检测平台并感受风压的弹性柱，采集干涉条纹位移图像的摄像头，接收摄像头的图像信息并计算风速的ARM处理器。本发明专利技术提供一种迈克尔逊干涉风速测量装置及其风速计算方法，本装置外壳的结构设计可以避免恶劣天气对测量精确度的影响，本发明专利技术基于迈克尔逊干涉方法，这样能够检测物体极其微小的位移，通过对干涉条纹进行自动记录和处理实现微小位移的精确测量。

【技术实现步骤摘要】
一种迈克尔逊干涉风速测量装置及其风速计算方法
本专利技术属于气象检测
，具体涉及一种迈克尔逊干涉微风测量装置。
技术介绍
目前对风速的检测有风杯、皮托管和超声波等方法。三杯式风速测量装置因具有启动风速无法测量微风，此外在冬季易产生冰冻和积雪等现象，导致不能正常工作。皮托管把风速转换为微压力，并由微压计来测量。但微压计很难准确检测到1Pa以下的压力，因此无法准确检测微风，在室外工作时同样可能由于冰雪堵住测风口而不能工作。超声波风速仪能够检测低至0.1m/s风速，但也不能准确检测0.1m/s以下的风速，同样由于积雪或结冰而阻断声路而需要加热融化，降水粒子也同样干扰了超声风速的检测，从而产生误差；市场需要一种能够精确测量风速的装置，本专利技术解决这样的问题。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种迈克尔逊干涉风速测量装置及其风速计算方法，本装置外壳的结构设计可以避免恶劣天气对测量精确度的影响，本专利技术基于迈克尔逊干涉方法，这样能够检测物体极其微小的位移，通过对干涉条纹进行自动记录和处理实现微小位移的精确测量。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种迈克尔逊干涉风速测量装置，包括：检测平台，固定于检测平台上的外壳，设于检测平台上并产生干涉条纹的迈克尔逊干涉组件，两端分别固定于外壳和检测平台并感受风压的弹性柱，采集干涉条纹位移图像的摄像头，接收摄像头的图像信息并计算风速的ARM处理器。前述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置，迈克尔逊干涉组件包括：固定于检测平台上的半导体激光器，固定于检测平台上并将半导体激光器的光分成两束的分束镜，反射分束镜的一束光并固定于检测平台上的第一反射镜，反射分束镜的另一束光并固定于外壳的内壁的第二反射镜，接收第一反射镜、第二反射镜的反射光的扩束镜，接收扩束镜的光并显示干涉条纹的白屏。前述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置，检测平台的底部设有连接于测风杆的安装口。前述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置，外壳组成有：固定于检测平台的外壳本体，固定于上述外壳本体上并传感风压力的锥形盖。前述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置，锥形盖的顶端通过螺孔与弹性柱的顶端固定。前述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置，ARM处理器为stm32微处理器。前述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置的风速计算方法，包括如下步骤：步骤一，设干涉条纹移动距离为m，被测条纹与相邻条纹之间的距离为M，计算外壳内壁的实际位移X，如下式：式中N为条纹变化数，λ为激光波长，C为修正值之和；步骤二，风作用时对上述外壳施加正压力F，即对上述弹性柱的顶端施加正压力F，使得弹性柱发生形变。此时，弹性柱的顶端的挠度可视为等于此时外壳内壁的实际位移X，满足下式：由此可计算出风压力F；式中E为弹性柱的弹性模量，L是弹性柱的长度，I为弹性柱的惯性矩；步骤三，利用伯努利方程，可得：式中ρ为空气密度，v为风速，S为外壳垂直于风方向的受力面积；由此可得风速与干涉条纹的关系式：步骤四，利用干涉条纹的变化，可以反演风速；在空气密度ρ不变的情况下，引入线性标定系数a，b，标定后的风速V如下式所示：V＝a·v+b。本专利技术的有益之处在于：本专利技术提供一种迈克尔逊干涉风速测量装置及其风速计算方法，本装置外壳的结构设计可以避免恶劣天气对测量精确度的影响；本专利技术基于迈克尔逊干涉方法，通过固定于弹性柱的外壳的微小位移测量来反演风速，能够检测物体极其微小的位移，通过对干涉条纹进行自动记录和处理实现微小位移的精确测量。附图说明图1是本专利技术的一种实施例的结构示意图；图中附图标记的含义：1弹性柱，2外壳，3ARM处理器，4检测平台，5摄像头，6半导体激光器，7分束镜，8第一反射镜，9第二反射镜，10扩束镜，11白屏。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作具体的介绍。一种迈克尔逊干涉风速测量装置，包括：检测平台，固定于检测平台上的外壳，设于检测平台上并产生干涉条纹的迈克尔逊干涉组件，两端分别固定于外壳和检测平台并感受风压的弹性柱，采集干涉条纹位移图像的摄像头，接收摄像头的图像信息并计算风速的ARM处理器。弹性柱在风压力作用下，产生形变，带动外壳内壁发生微小位移，同时导致干涉条纹随之变化，干涉条纹的位移与实际位移存在着一定的线性关系，所以可以通过干涉条纹的测量来反演风速。迈克尔逊干涉组件包括：固定于检测平台上的半导体激光器，固定于检测平台上并将半导体激光器的光分成两束的分束镜，反射分束镜的一束光并固定于检测平台上的第一反射镜，反射分束镜的另一束光并固定于外壳的内壁的第二反射镜，接收第一反射镜、第二反射镜的反射光的扩束镜，接收扩束镜的光并显示干涉条纹的白屏。迈克尔逊干涉组件运行过程为：由半导体激光器发出的光经分束镜分为两束，一束光经过第一反射镜反射；另一束光经过第二反射镜进行反射，两束反射光在分束镜相遇再通过扩束镜后到达白屏。由于两束反射光振动方向和振动频率相同可以形成干涉条纹，在白屏上可看到干涉条纹，当第二反射镜位移时，光路长度发生变化，干涉条纹也随之改变。迈克尔逊干涉仪组件十分灵敏，将微小的位移放大，并反映在干涉条纹图像上。通过ARM处理器对干涉条纹图像进行处理，可大大提高测量精度。风速测量具体过程为：风压力使弹性柱发生形变引起外壳的内壁微小位移，引起第二反射镜相对于检测平台的位移，导致迈克尔逊干涉组件产生的干涉条纹发生位移，摄像头采集干涉条纹图像，再由ARM处理器接收图像信息并进行计算得出风速，计算方法在下文风速计算方法中详述。作为一种优选，ARM处理器为stm32微处理器。检测平台为圆桶状，顶部用于放置电路及迈克尔逊干涉组件，顶部中心与上部的弹性柱底端相连；检测平台的底部设有连接于测风杆的安装口。外壳组成有：固定于检测平台的外壳本体，固定于上述外壳本体上并传感风压力的锥形盖。外壳本体为圆管状，用于传感风压力；锥形盖的顶端通过螺孔与弹性柱的顶端固定，外壳的设计可完全覆盖及保护迈克尔逊干涉组件，防止漏水等影响测量结果；锥形盖的设计避免了积雪、冰冻等不良情况对测量结果的影响。一种迈克尔逊干涉风速测量装置的风速计算方法，包括如下步骤：步骤一，设干涉条纹移动距离为m，被测条纹与相邻条纹之间的距离为M，计算外壳内壁的实际位移X，如下式：式中N为条纹变化数，λ为激光波长，C为修正值之和；步骤二，风作用时对上述外壳施加正压力F，即对上述弹性柱的顶端施加正压力F，使得弹性柱发生形变。此时，弹性柱的顶端的挠度可视为等于此时外壳内壁的实际位移X，满足下式：由此可计算出风压力F；式中E为弹性柱的弹性模量，L是弹性柱的长度，I为弹性柱的惯性矩；步骤三，利用伯努利方程，可得：式中ρ为空气密度，v为风速，S为外壳垂直于风方向的受力面积；由此可得风速与干涉条纹的关系式：步骤四，利用干涉条纹的变化，可以反演风速；在空气密度ρ不变的情况下，引入线性标定系数a，b，标定后的风速V如下式所示：V＝a·v+b。本专利技术提供一种迈克尔逊干涉风速测量装置及其风速计算方法，本装置外壳的结构设计可以避免恶劣天气对测量精确度的影响；本专利技术基于迈克尔逊干涉方法，通过固定于弹性柱的外壳的微小位移测量来反演风速，能够检测物体极其微小的位移，通过对干涉条纹进行自动记录和处理实现微小位移的精确测量。以上显示和描述了本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种迈克尔逊干涉风速测量装置，其特征在于，包括：检测平台，固定于上述检测平台上的外壳，设于检测平台上并产生干涉条纹的迈克尔逊干涉组件，两端分别固定于上述外壳和检测平台并感受风压的弹性柱，采集干涉条纹位移图像的摄像头，接收摄像头的图像信息并计算风速的ARM处理器。

【技术特征摘要】
1.一种迈克尔逊干涉风速测量装置，其特征在于，包括：检测平台，固定于上述检测平台上的外壳，设于检测平台上并产生干涉条纹的迈克尔逊干涉组件，两端分别固定于上述外壳和检测平台并感受风压的弹性柱，采集干涉条纹位移图像的摄像头，接收摄像头的图像信息并计算风速的ARM处理器。2.根据权利要求1所述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置，其特征在于，上述迈克尔逊干涉组件包括：固定于检测平台上的半导体激光器，固定于检测平台上并将半导体激光器的光分成两束的分束镜，反射分束镜的一束光并固定于检测平台上的第一反射镜，反射分束镜的另一束光并固定于上述外壳的内壁的第二反射镜，接收上述第一反射镜、第二反射镜的反射光的扩束镜，接收扩束镜的光并显示干涉条纹的白屏。3.根据权利要求1所述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置，其特征在于，上述检测平台的底部设有连接于测风杆的安装口。4.根据权利要求1所述的一种迈克尔逊干涉风速测量装置，其特征在于，上述外壳组成有：固定于检测平台的外壳本体，固定于上述外壳本体上并传感风压力的锥形盖。5.根据权利要求1所述的一种迈克尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐慧强，李褀，吕雪驹，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32