本發(fā)明屬于氣象檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種邁克爾遜干涉微風(fēng)測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
目前對(duì)風(fēng)速的檢測(cè)有風(fēng)杯、皮托管和超聲波等方法。三杯式風(fēng)速測(cè)量裝置因具有啟動(dòng)風(fēng)速無(wú)法測(cè)量微風(fēng)，此外在冬季易產(chǎn)生冰凍和積雪等現(xiàn)象，導(dǎo)致不能正常工作。皮托管把風(fēng)速轉(zhuǎn)換為微壓力，并由微壓計(jì)來(lái)測(cè)量。但微壓計(jì)很難準(zhǔn)確檢測(cè)到1pa以下的壓力，因此無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)微風(fēng)，在室外工作時(shí)同樣可能由于冰雪堵住測(cè)風(fēng)口而不能工作。超聲波風(fēng)速儀能夠檢測(cè)低至0.1m/s風(fēng)速，但也不能準(zhǔn)確檢測(cè)0.1m/s以下的風(fēng)速，同樣由于積雪或結(jié)冰而阻斷聲路而需要加熱融化，降水粒子也同樣干擾了超聲風(fēng)速的檢測(cè)，從而產(chǎn)生誤差；市場(chǎng)需要一種能夠精確測(cè)量風(fēng)速的裝置，本發(fā)明解決這樣的問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置及其風(fēng)速計(jì)算方法，本裝置外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免惡劣天氣對(duì)測(cè)量精確度的影響，本發(fā)明基于邁克爾遜干涉方法，這樣能夠檢測(cè)物體極其微小的位移，通過(guò)對(duì)干涉條紋進(jìn)行自動(dòng)記錄和處理實(shí)現(xiàn)微小位移的精確測(cè)量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置，包括：檢測(cè)平臺(tái)，固定于檢測(cè)平臺(tái)上的外殼，設(shè)于檢測(cè)平臺(tái)上并產(chǎn)生干涉條紋的邁克爾遜干涉組件，兩端分別固定于外殼和檢測(cè)平臺(tái)并感受風(fēng)壓的彈性柱，采集干涉條紋位移圖像的攝像頭，接收攝像頭的圖像信息并計(jì)算風(fēng)速的arm處理器。
前述的一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置，邁克爾遜干涉組件包括：固定于檢測(cè)平臺(tái)上的半導(dǎo)體激光器，固定于檢測(cè)平臺(tái)上并將半導(dǎo)體激光器的光分成兩束的分束鏡，反射分束鏡的一束光并固定于檢測(cè)平臺(tái)上的第一反射鏡，反射分束鏡的另一束光并固定于外殼的內(nèi)壁的第二反射鏡，接收第一反射鏡、第二反射鏡的反射光的擴(kuò)束鏡，接收擴(kuò)束鏡的光并顯示干涉條紋的白屏。
前述的一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置，檢測(cè)平臺(tái)的底部設(shè)有連接于測(cè)風(fēng)桿的安裝口。
前述的一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置，外殼組成有：固定于檢測(cè)平臺(tái)的外殼本體，固定于上述外殼本體上并傳感風(fēng)壓力的錐形蓋。
前述的一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置，錐形蓋的頂端通過(guò)螺孔與彈性柱的頂端固定。
前述的一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置，arm處理器為stm32微處理器。
前述的一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置的風(fēng)速計(jì)算方法，包括如下步驟：
步驟一，設(shè)干涉條紋移動(dòng)距離為m，被測(cè)條紋與相鄰條紋之間的距離為m，計(jì)算外殼內(nèi)壁的實(shí)際位移x，如下式：
式中n為條紋變化數(shù)，λ為激光波長(zhǎng)，c為修正值之和；
步驟二，風(fēng)作用時(shí)對(duì)上述外殼施加正壓力f，即對(duì)上述彈性柱的頂端施加正壓力f，使得彈性柱發(fā)生形變。此時(shí)，彈性柱的頂端的撓度可視為等于此時(shí)外殼內(nèi)壁的實(shí)際位移x，滿足下式：
由此可計(jì)算出風(fēng)壓力f；
式中e為彈性柱的彈性模量，l是彈性柱的長(zhǎng)度，i為彈性柱的慣性矩；
步驟三，利用伯努利方程，可得：
式中ρ為空氣密度，v為風(fēng)速，s為外殼垂直于風(fēng)方向的受力面積；
由此可得風(fēng)速與干涉條紋的關(guān)系式：
步驟四，利用干涉條紋的變化，可以反演風(fēng)速；在空氣密度ρ不變的情況下，引入線性標(biāo)定系數(shù)a，b，標(biāo)定后的風(fēng)速v如下式所示：
v＝a·v+b。
本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明提供一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置及其風(fēng)速計(jì)算方法，本裝置外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免惡劣天氣對(duì)測(cè)量精確度的影響；本發(fā)明基于邁克爾遜干涉方法，通過(guò)固定于彈性柱的外殼的微小位移測(cè)量來(lái)反演風(fēng)速，能夠檢測(cè)物體極其微小的位移，通過(guò)對(duì)干涉條紋進(jìn)行自動(dòng)記錄和處理實(shí)現(xiàn)微小位移的精確測(cè)量。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中附圖標(biāo)記的含義：
1彈性柱，2外殼，3arm處理器，4檢測(cè)平臺(tái)，5攝像頭，6半導(dǎo)體激光器，7分束鏡，8第一反射鏡，9第二反射鏡，10擴(kuò)束鏡，11白屏。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置，包括：檢測(cè)平臺(tái)，固定于檢測(cè)平臺(tái)上的外殼，設(shè)于檢測(cè)平臺(tái)上并產(chǎn)生干涉條紋的邁克爾遜干涉組件，兩端分別固定于外殼和檢測(cè)平臺(tái)并感受風(fēng)壓的彈性柱，采集干涉條紋位移圖像的攝像頭，接收攝像頭的圖像信息并計(jì)算風(fēng)速的arm處理器。彈性柱在風(fēng)壓力作用下，產(chǎn)生形變，帶動(dòng)外殼內(nèi)壁發(fā)生微小位移，同時(shí)導(dǎo)致干涉條紋隨之變化，干涉條紋的位移與實(shí)際位移存在著一定的線性關(guān)系，所以可以通過(guò)干涉條紋的測(cè)量來(lái)反演風(fēng)速。
邁克爾遜干涉組件包括：固定于檢測(cè)平臺(tái)上的半導(dǎo)體激光器，固定于檢測(cè)平臺(tái)上并將半導(dǎo)體激光器的光分成兩束的分束鏡，反射分束鏡的一束光并固定于檢測(cè)平臺(tái)上的第一反射鏡，反射分束鏡的另一束光并固定于外殼的內(nèi)壁的第二反射鏡，接收第一反射鏡、第二反射鏡的反射光的擴(kuò)束鏡，接收擴(kuò)束鏡的光并顯示干涉條紋的白屏。邁克爾遜干涉組件運(yùn)行過(guò)程為：由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)分束鏡分為兩束，一束光經(jīng)過(guò)第一反射鏡反射；另一束光經(jīng)過(guò)第二反射鏡進(jìn)行反射，兩束反射光在分束鏡相遇再通過(guò)擴(kuò)束鏡后到達(dá)白屏。由于兩束反射光振動(dòng)方向和振動(dòng)頻率相同可以形成干涉條紋，在白屏上可看到干涉條紋，當(dāng)?shù)诙瓷溏R位移時(shí)，光路長(zhǎng)度發(fā)生變化，干涉條紋也隨之改變。邁克爾遜干涉儀組件十分靈敏，將微小的位移放大，并反映在干涉條紋圖像上。通過(guò)arm處理器對(duì)干涉條紋圖像進(jìn)行處理，可大大提高測(cè)量精度。
風(fēng)速測(cè)量具體過(guò)程為：風(fēng)壓力使彈性柱發(fā)生形變引起外殼的內(nèi)壁微小位移，引起第二反射鏡相對(duì)于檢測(cè)平臺(tái)的位移，導(dǎo)致邁克爾遜干涉組件產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生位移，攝像頭采集干涉條紋圖像，再由arm處理器接收?qǐng)D像信息并進(jìn)行計(jì)算得出風(fēng)速，計(jì)算方法在下文風(fēng)速計(jì)算方法中詳述。作為一種優(yōu)選，arm處理器為stm32微處理器。
檢測(cè)平臺(tái)為圓桶狀，頂部用于放置電路及邁克爾遜干涉組件，頂部中心與上部的彈性柱底端相連；檢測(cè)平臺(tái)的底部設(shè)有連接于測(cè)風(fēng)桿的安裝口。
外殼組成有：固定于檢測(cè)平臺(tái)的外殼本體，固定于上述外殼本體上并傳感風(fēng)壓力的錐形蓋。外殼本體為圓管狀，用于傳感風(fēng)壓力；錐形蓋的頂端通過(guò)螺孔與彈性柱的頂端固定，外殼的設(shè)計(jì)可完全覆蓋及保護(hù)邁克爾遜干涉組件，防止漏水等影響測(cè)量結(jié)果；錐形蓋的設(shè)計(jì)避免了積雪、冰凍等不良情況對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置的風(fēng)速計(jì)算方法，包括如下步驟：
步驟一，設(shè)干涉條紋移動(dòng)距離為m，被測(cè)條紋與相鄰條紋之間的距離為m，計(jì)算外殼內(nèi)壁的實(shí)際位移x，如下式：
式中n為條紋變化數(shù)，λ為激光波長(zhǎng)，c為修正值之和；
步驟二，風(fēng)作用時(shí)對(duì)上述外殼施加正壓力f，即對(duì)上述彈性柱的頂端施加正壓力f，使得彈性柱發(fā)生形變。此時(shí)，彈性柱的頂端的撓度可視為等于此時(shí)外殼內(nèi)壁的實(shí)際位移x，滿足下式：
由此可計(jì)算出風(fēng)壓力f；
式中e為彈性柱的彈性模量，l是彈性柱的長(zhǎng)度，i為彈性柱的慣性矩；
步驟三，利用伯努利方程，可得：
式中ρ為空氣密度，v為風(fēng)速，s為外殼垂直于風(fēng)方向的受力面積；
由此可得風(fēng)速與干涉條紋的關(guān)系式：
步驟四，利用干涉條紋的變化，可以反演風(fēng)速；在空氣密度ρ不變的情況下，引入線性標(biāo)定系數(shù)a，b，標(biāo)定后的風(fēng)速v如下式所示：
v＝a·v+b。
本發(fā)明提供一種邁克爾遜干涉風(fēng)速測(cè)量裝置及其風(fēng)速計(jì)算方法，本裝置外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免惡劣天氣對(duì)測(cè)量精確度的影響；本發(fā)明基于邁克爾遜干涉方法，通過(guò)固定于彈性柱的外殼的微小位移測(cè)量來(lái)反演風(fēng)速，能夠檢測(cè)物體極其微小的位移，通過(guò)對(duì)干涉條紋進(jìn)行自動(dòng)記錄和處理實(shí)現(xiàn)微小位移的精確測(cè)量。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。