一種基于低頻交流放電的風速計、標定裝置及標定方法與流程

本發明屬于流體測量技術領域，特別涉及一種基于低頻交流放電的風速計，以及所述風速計的標定裝置及標定方法。

背景技術：

風速測量是一個值得長期研究和探索的課題，并且在航空、航天、氣象以及軍事等諸多領域得到了廣泛的運用。早期的風速測量儀器包含旋翼或杯型機械式風速儀，后來又出現了皮托管風速儀和壓電式風速計。但是，由于體積龐大、測量精度差、易受溫度影響、風速測量范圍小，這些風速計無法滿足小型化、高精度、適應高溫高速的測量環境等應用需求。因此研究者們嘗試使用新的測量技術在嚴苛的環境下對不同風速進行準確可靠的測量。

中國專利申請號201510885873.X公布了一種基于微機械耦合器和間接式功率傳感器的風速計。該傳感器包括襯底、共面波導傳輸線、微機械耦合器以及間接式功率傳感器部分，共面波導傳輸線生長在襯底表面，懸臂梁耦合器懸于共面波導傳輸線的信號線上方，中間為絕緣介質層和空氣，與共面波導的信號線形成微機械耦合器。懸臂梁的錨區位于另外一段共面波導的中心信號線上，將耦合的微波功率傳輸到利間接式功率傳感器，最終通過間接式功率傳感器的直流輸出電壓計算出風速大小。該風速計體積小、功耗低，但是仍存在易受溫度影響、風速測量范圍小的缺陷。

空氣交流放電等離子體兼具導體和流體雙重特性，是其可應用于流場測量的物理基礎，也正是等離子體的電特性和流體特性使借助其感受流場信息成為可能。在空氣流場作用下，等離子體等效導納變化和放電間隙中帶電粒子“逃逸”將會導致宏觀電信號量(如電流、電壓等)變化，測量系統根據宏觀電信號量變化可以獲取空氣流場信息，依據以上原理可以實現空氣中風速的測量。

技術實現要素：

本發明的目的，在于提供一種基于低頻交流放電的風速計，其可在空氣中準確測量風速，以解決先前風速計測量精度差、易受溫度影響、風速測量范圍小的問題，可以廣泛地應用在航空、航天、氣象以及軍事等諸多領域。

本發明的再一目的，在于提供一種基于低頻交流放電的風速計標定裝置及標定方法，其可標定出風速值與交流放電回路電流有效值之間的對應關系。

為了達成上述目的，本發明的解決方案是：

一種基于低頻交流放電的風速計，包括順序串聯的交流數控可調激勵、負反饋耦合電路模塊、風速探針模塊和數據采集與處理模塊，所述交流數控可調激勵用于持續準確地輸出所需交流放電電壓；負反饋耦合電路模塊連接在交流數控可調激勵與風速探針模塊之間，用于提供一個有效的控制放電發展過程的負反饋；所述數據采集與處理模塊用于采集串聯回路電流并顯示放電回路電流波形和回路電流有效值。

上述風速探針模塊包括金屬探針、探針固定架、固定薄片、探針間隙標尺和可滑動薄片，探針間隙標尺平行固定于探針固定架上；固定薄片由耐高溫絕緣塑料材料制成，且固定薄片固定于探針間隙標尺的0mm處；可滑動薄片由耐高溫絕緣塑料材料制成，且可滑動薄片設于探針間隙標尺上并能夠在探針間隙標尺上自由滑動；金屬探針有兩根，一根垂直安放在探針固定架與固定薄片之間，另一根垂直安放在探針固定架與可滑動薄片之間；所述金屬探針的放電端附近還涂覆有耐高溫涂料。

上述負反饋耦合電路模塊包括高壓端模塊和低壓端模塊，高壓端模塊串接在流數控可調激勵高壓端與風速探針模塊之間，低壓端模塊串接在交流數控可調激勵接地端與風速探針模塊之間。

上述高壓端模塊包括相互串聯的第一電阻和第一電容，低壓端模塊包括相互串聯的第二電阻和第二電容。

上述數據采集與處理模塊包括測量電阻、多功能信號采集卡和上位機，多功能信號采集卡與測量電阻并聯，并且通過數據接口與上位機相連；測量電阻串聯于交流放電回路，多功能信號采集卡采集測量電阻上的電壓值并送入上位機；上位機將采集到的電壓值轉換為電流值，并且實時顯示出時間—電流的波形圖，同時實時顯示出電流有效值。

一種基于低頻交流放電的風速計標定裝置，包括風速可調設備，所述風速可調設備包括風速噴嘴和空氣壓縮機，風速噴嘴與空氣壓縮機之間通過密封通氣管緊密相連，而風速噴嘴的出風口與兩根金屬探針間空氣間隙平行放置。

一種基于低頻交流放電的風速計標定方法，首先調節兩根金屬探針之間的間隙，直至二者到達放電合適距離，并取定負反饋耦合電路模塊的參數，再控制交流數控可調激勵向風速探針模塊輸出持續可調電壓，直至風速探針模塊處產生穩定的交流放電；在放電回路電流穩定后，記錄下數據采集與處理模塊測量的放電回路電流有效值；然后在參數不變的情況下，穩定交流放電時通過風速可調設備向金屬探針空氣間隙區域供風，在風速達到穩定并且交流放電回路電流也穩定后，記錄下測量的放電回路電流有效值與風速可調設備所供的風速值；裝置參數不變，通過風速可調設備小幅度地改變風速值后，多次重復上面的操作過程，操作結束后記錄下風速值和測得的電流有效值，最后根據所得的多組數據標定出風速值與交流放電回路電流有效值之間的對應關系；倘若在裝置參數一致且都能實現穩定交流放電的前提下標定出的風速值范圍較小，則需要改變金屬探針之間間隙大小或者改變負反饋耦合電路模塊的參數或者調節交流數控可調激勵的輸出電壓和頻率，在調整過參數之后再次重復上述流程，標定出另一組風速值與交流放電回路電流有效值之間的對應關系，直到標定出理想的風速值范圍。

采用上述方案后，本發明的風速計可以在相對苛刻的測量環境下精確地測量風速，具有廣闊的應用前景。該風速計具有如下特點：動態頻響較高，工作狀態穩定；風速探針模塊體積小，適用領域廣；裝置對溫度不敏感，校準簡單；允許不接觸測量；安裝使用方便，操作簡單，實用性強等特點。可以有效地解決先前風速計測量精度差、易受溫度影響、風速測量范圍小的問題。

附圖說明

圖1是本發明中風速探針模塊的結構簡圖；

圖2是本發明中交流數控可調激勵的結構簡圖；

圖3是本發明中風速可調設備的結構簡圖；

圖4是本發明中數據采集與處理模塊的結構簡圖；

圖5是本發明中風速計與標定裝置配合使用的結構示意圖；

圖6是本發明中風速計的結構示意圖；

圖7是標定階段分別在無風速和風速為3m/s時風速計的電流波形圖；

圖8是標定階段標定的部分風速值與風速計電流有效值之間的對應關系圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。

如圖6所示，本發明提供一種基于低頻交流放電的風速計，包括順序串聯的交流數控可調激勵、負反饋耦合電路模塊、風速探針模塊和數據采集與處理模塊，組成交流放電回路，下面分別介紹。

如圖2所示，所述交流數控可調激勵7由上位機控制，作為風速計的高壓輸出電源，數控調壓能夠持續準確地輸出所需交流放電電壓，所編寫的上位機程序可以實時并精準地控制電壓和頻率的輸出。該交流數控可調激勵屬于一種高電壓低頻放電電源，操作簡單方便，調壓時間短且效率高，對于提高測量結果的精度具有重要作用。采用上位機程序控制的交流數控可調激勵與負反饋耦合電路模塊、風速探針模塊、數據采集與處理模塊串聯組成交流放電回路后，在輸出電壓時，金屬探針1間隙空氣在高壓作用下發生電離，產生帶電粒子，粒子間不斷發生碰撞，產生更多的粒子，相比于直流而言，交流放電粒子間碰撞更加頻繁，電離程度得到提高，擊穿電壓有所降低。

負反饋耦合電路模塊連接在交流數控可調激勵7與風速探針模塊之間，用于提供一個有效的控制放電發展過程的負反饋，所述負反饋耦合電路模塊包括高壓端模塊13和低壓端模塊14，配合圖6所示，高壓端模塊13包括相互串聯的電阻R1和電容C1，低壓端模塊14包括相互串聯的電阻R2和電容C2。空氣中放電形式很容易過渡到不穩定的火花放電狀態，在交流數控可調激勵與風速探針模塊之間串聯由耦合電阻與耦合電容串聯組成的負反饋耦合電路模塊，能夠提供一個有效的控制放電發展過程的負反饋，可以在輝光放電過渡到火花放電之前使其熄滅，得到穩定的低頻交流放電。在本發明中，交流數控可調激勵高壓端與風速探針模塊之間串接有一組耦合電阻R1和耦合電容C1串聯組成的高壓端模塊，交流數控可調激勵接地端與風速探針模塊之間同樣接有一組與高壓端相同阻值的耦合電阻R2和相同電容值的耦合電容C2串聯而成的低壓端模塊。負反饋耦合電路模塊中的耦合電容在功能上相當于介質阻擋放電中的介質，可以產生反向電場，起到限制放電電流變化的作用并且可以增強放電的穩定性；耦合電阻的阻值越大則負反饋耦合電路模塊的負反饋作用越強。

所述風速探針模塊是一種采用耐高溫高壓的空氣交流放電探針裝置，包括金屬探針1、探針固定架2、固定薄片3、探針間隙標尺4、耐高溫涂料5和可滑動薄片6，配合圖1所示，探針間隙標尺4平行固定于探針固定架2上；固定薄片3由耐高溫絕緣塑料材料制成，且固定薄片3固定于探針間隙標尺4的0mm處；可滑動薄片6由耐高溫絕緣塑料材料制成，且可滑動薄片6設于探針間隙標尺4上并可在探針間隙標尺4上自由滑動；金屬探針1有兩根，一根垂直安放在探針固定架2與固定薄片3之間，另一根垂直安放在探針固定架2與可滑動薄片6之間；耐高溫涂料5涂覆于金屬探針1的放電端附近，金屬探針1的放電端口平整而并非針尖狀，平整的放電端在高電壓作用下可以進行穩定的交流放電。這樣設計的風速探針模塊具有兩點好處：(1)風速探針模塊的探針間隙標尺4精確到mm級別，通過滑動可滑動薄片6，可以方便精準地調整金屬探針1間的空氣間隙大小；(2)該風速探針模塊采用耐高溫絕緣塑料薄片并且在金屬探針1端口附近的薄片上及針孔處涂有無機耐高溫涂料，所以整個風速探針模塊耐高溫絕緣不易損壞。

所述數據采集與處理模塊用于采集串聯回路電流并顯示放電回路電流波形和回路電流有效值，具體包括測量電阻10、多功能信號采集卡11和上位機12，配合圖4所示，多功能信號采集卡11與測量電阻10并聯，并且通過數據接口與裝有上位機程序的計算機相連；測量電阻R0是為了測量放電回路的電流而串聯于交流放電回路的電阻；多功能信號采集卡具有16路單端模擬信號采集的功能，其中的AD模塊可以把采集到的模擬信號轉換為數字信號，數據傳輸可以通過數據接口傳輸給上位機，此處的多功能信號采集卡要與測量電阻并聯，用以采集測量電阻上的電壓值；上位機程序會把采集到的電壓值根據電壓、測量電阻的阻值、電流三者之間的關系，而將采集到的電壓值轉換為電流值，并且實時顯示出時間—電流的波形圖，同時實時顯示出電流有效值。所述數據采集與處理模塊中還設計了電流過大時，分流防傷害功能，能準確穩定地實現數據的采集。

如圖5所示，本發明還提供一種針對前述基于低頻交流放電的風速計的標定裝置，包括風速可調設備，配合圖3所示，包括風速噴嘴8和空氣壓縮機9，風速噴嘴8與空氣壓縮機9之間通過密封通氣管緊密相連，而風速噴嘴8的出風口與兩根金屬探針1間空氣間隙平行放置，以便可以向整個交流放電區域供風。

整套風速可調設備的作用是向風速探針模塊放電區域提供穩定且風速可調的風速場，其風速噴嘴出風口呈圓形，直徑略大于最大金屬探針間空氣間隙，因此從風速噴嘴出來的均勻風可以覆蓋全部放電區域；風速可調設備的空氣壓縮機能夠可調輸出恒定風速，并且空氣壓縮機輸出口的嵌入式設備可以實時顯示輸出風速值，改善了人工測風速的不足。整套風速可調設備是獨立于串聯放電回路的獨立設備，它只是在本發明風速計的標定階段提供可調輸出恒定風速場，用以標定風速值與串聯放電回路電流有效值之間的關系，一旦關系標定完畢即標定階段結束，則后續任意環境下風速的測量該風速可調設備就不再被使用。

基于前述標定裝置，本發明提供一種基于低頻交流放電的風速計標定方法，首先調節兩根金屬探針之間的間隙，直至二者到達放電合適距離，并取定負反饋耦合電路模塊中的電阻和電容值參數，再通過上位機控制交流數控可調激勵向風速探針模塊輸出持續可調電壓，當輸出電壓足夠大時，金屬探針間的空氣被擊穿產生交流放電現象，再通過上位機調節交流數控可調激勵的輸出頻率，直到可以在風速探針模塊處產生穩定的交流放電；此時數據采集與處理模塊也串聯于交流放電回路中，可以測量出并且可以實時顯示出放電回路電流波形和回路電流有效值，在放電回路電流穩定后，記錄下測量的放電回路電流有效值，此時風速值為0m/s；然后在整套風速計裝置參數不變的情況下，穩定交流放電時通過風速可調設備向金屬探針空氣間隙區域供風，風速可調設備可以顯示出所供風速值大小，在風速達到穩定并且交流放電回路電流也穩定后，記錄下測量的放電回路電流有效值與風速可調設備所供的風速值；裝置參數不變重復上面的操作過程，但不同點是要通過風速可調設備小幅度地改變風速值，操作結束后要再次記錄下風速值和測得的電流有效值，裝置參數一致的情況下多次重復上面的操作過程并有規律(從小到大)且小幅度地改變風速值，每次操作都要記錄下風速值和測得的電流有效值，最后根據所得的多組數據可以標定出風速值與交流放電回路電流有效值之間的對應關系；倘若在裝置參數一致且都能實現穩定交流放電的前提下標定出的風速值范圍較小，則需要改變金屬探針之間間隙大小或者改變負反饋耦合電路模塊中的電阻和電容值參數或者調節交流數控可調激勵的輸出電壓和頻率，在調整過裝置參數之后再次重復上述的流程，標定出另一組風速值與交流放電回路電流有效值之間的對應關系，即重復上述的流程調整裝置參數并進行標定，直到標定出理想的風速值范圍，一旦標定階段完成就不再使用風速可調設備。

以下提供具體實施例，說明本發明的使用方式。

為完整地搭建好上述標定階段時的系統，裝置各部分采取如下具體措施：由上位機控制的交流數控可調激勵7通過數據接口與裝有上位機程序的計算機相連，上位機控制使得交流數控可調激勵7能夠持續準確地輸出交流放電所需的電壓和頻率，交流數控可調激勵7屬于一種高電壓低頻放電電源，輸出電壓范圍為0kV—20Kv，頻率范圍為5kHz—30kHz；串聯于放電回路的耦合電阻R1與耦合電容C1組成高壓端負反饋耦合電路模塊13，耦合電阻R2與耦合電容C2組成低壓端負反饋耦合電路模塊14，其中R1和R2阻值相同，為常用的470Ω(不限于此值)、C1和C2的電容值也相同，為常用的220pF(不限于此值)；風速探針模塊與負反饋耦合電路模塊串聯，該風速探針模塊的金屬探針間空氣間隙的可調范圍為1—10mm，也為探針間隙標尺4的刻度范圍；測量電阻10、多功能信號采集卡11和上位機12組成數據采集與處理模塊，串聯于交流放電回路中，其中測量電阻10選用常用的50Ω電阻(不限于此值)，多功能信號采集卡11與測量電阻10并聯，且通過數據接口與裝有上位機程序的計算機(上位機)相連；風速噴嘴8和空氣壓縮機9密封連接組成了只在風速計的標定階段用來標定風速值的風速可調設備，該設備的風速可調范圍為0—620m/s，風速噴嘴8與金屬探針空氣間隙平行放置，調節空氣壓縮機9的風速調節旋鈕可以改變所供風速值，空氣壓縮機9輸出口的嵌入式設備可以實時顯示輸出風速值。

按照圖5搭建完成風速計標定裝置后，就進入標定階段，首先調節金屬探針間空氣間隙大小，空氣間隙大小要在適合空氣交流放電的范圍內(一般為1—5mm)，然后取定負反饋耦合電路模塊中的電阻和電容值參數，之后通過上位機12控制調節交流數控可調激勵7的輸出電壓和頻率直到獲得空氣中穩定的交流放電(例如電壓調到6kV，頻率調到10kHz)；在穩定交流放電情況下，數據采集與處理模塊供電后，其上位機12中可以實時顯示放電電流波形以及放電電流有效值，記錄下測量的放電回路電流有效值，此時風速值為0m/s；然后在整套裝置參數不變的情況下，穩定交流放電時打開風速可調設備，調節風速調節旋鈕，使風速穩定在某一設定的值(例如0.5m/s)，風速可調設備中的嵌入式設備可以實時顯示輸出風速值(例如0.5m/s)，此時整個金屬探針間空氣間隙處在穩定的風速場中，在風速達到穩定并且交流放電回路電流也穩定后，記錄下測量的放電回路電流有效值與風速可調設備所供的風速值(例如0.5m/s)；標定系統裝置參數不變并重復上面的操作過程，但不同點是要通過風速可調設備小幅度地改變風速值(例如變為1m/s)，測量操作結束后要再次記錄下風速值(例如1m/s)和測得的電流有效值，在標定裝置參數一致的情況下多次重復上面的操作過程并有規律且小幅度地改變風速值，改變風速值要做到從小到大調整且每隔小區間變動(可以每隔0.5m/s或1m/s區間測量一次電流有效值)，每次操作都要記錄下風速值和測得的電流有效值，最后根據所得的多組數據可以標定出風速值與交流放電回路電流有效值之間的對應關系；倘若在標定裝置參數一致且都能實現穩定交流放電的前提下標定出的風速值范圍較小，則需要改變金屬探針之間間隙大小或者改變負反饋耦合電路模塊中的電阻和電容值參數或者調節交流數控可調激勵7的輸出電壓和頻率，在調整過標定裝置參數之后再次重復上述的流程，標定出另一組風速值與交流放電回路電流有效值之間的對應關系，即重復上述的流程調整標定裝置參數并進行標定，直到標定出理想的風速值范圍，一旦標定階段完成就不再使用風速可調設備。圖7是標定階段分別在無風速和風速為3m/s時風速計的電流波形圖，圖8是標定階段標定的部分風速值與風速計電流有效值之間的對應關系圖。

為實現任意環境下風速的測量，要事先連接好交流放電回路(如圖6所示)，整套裝置參數設置成與標定階段最后標定時(標定出理想的風速值范圍)的裝置參數一致，之后將風速探針模塊放置在待測風速場中，并在待測風速場中實現交流放電，此時在風速值未知的情況下，由數據采集與處理模塊測得交流放電回路的電流有效值，依據事先標定好的風速值與交流放電回路電流有效值的對應關系，就可以得出此時風速值的大小。

以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。