一种利用激光测量校准微风速仪的装置及使用方法
阅读说明：本技术 一种利用激光测量校准微风速仪的装置及使用方法 (Device for calibrating micro anemometer by using laser measurement and use method ) 是由 孙玮 程远 于 2021-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及激光测量技术领域,特别涉及一种利用激光测量校准微风速仪的装置及使用方法,用于弥补目前没有专门针对微风速仪进行校准的设备的缺陷。本发明通过激光多普勒测速仪照射透明的风道,测出风道中的随风运动的示踪粒子烟雾,就是风道中的风速,以此作为风速标定值,然后再与经过堵塞比计算修正后的风速仪测头得到的风速进行对比,以此来显示风速仪的精准度。本发明的有益效果为：利用激光测量技术,解决了现有的微风速仪校准质量和校准效率不高的问题,大大提高了微风速仪的准确度。(The invention relates to the technical field of laser measurement, in particular to a device for calibrating a micro anemometer by utilizing laser measurement and a using method thereof, which are used for overcoming the defect that no equipment specially used for calibrating the micro anemometer exists at present. The method comprises the steps of irradiating a transparent air channel through a laser Doppler velocimeter, measuring tracer particle smoke moving along with the wind in the air channel, namely the wind speed in the air channel, taking the wind speed as a wind speed calibration value, and then comparing the wind speed with the wind speed obtained by an anemometer measuring head after calculation and correction of a blockage ratio, so as to display the accuracy of the anemometer. The invention has the beneficial effects that: by utilizing the laser measurement technology, the problems of low calibration quality and low calibration efficiency of the existing anemoscope are solved, and the accuracy of the anemoscope is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，特别涉及一种利用激光测量校准微风速仪的装置及使用方法。
背景技术
在环境检测、气象、农业、生物医学、工业设备、军工等众多领域中，气体的流速2m/s 以下通常称为微风，长期以来微风速仪的校准未得到完善的解决，所以微风速仪的准确度也受到了质疑。
激光测量主要是利用多普勒效应（Doppler Effect）原理：当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。如此即可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度。
激光雷达与普通微波雷达相比，由于使用的是高频电磁波的激光束，能有精度更高的测速性能，将此应用在微风速仪的校准上，可以得到准确度更高的微风速仪。
为此，本申请设计了一种利用激光测量校准微风速仪的装置及使用方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明为了弥补现有技术中的不足，提供了一种利用激光测量校准微风速仪的装置及使用方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种微风速仪校准装置，主要由：变径直路型风洞、微风速仪试样固定及调整、微风速仪试样轮廓测量、激光多普勒测速仪、示踪粒子烟雾发生器、显示PLC控制器等部分组成。
在常温实验室温度变化不超过±1℃的工作台上放有托架A、托架C、托架D共同托一变径直路型风洞，风洞的中心线水平，风洞由进风段、阻尼段、进风稳定段、圆变方收缩段、工作段、方变圆收缩段、出风稳定段、长形喇叭口段、风翅转动段等等段构成，其中进风稳定段、圆变方收缩段、工作段、方变圆收缩段、出风稳定段、长形喇叭口段、风翅转动段为PC（聚碳酸酯）透明材料制成的一体结构。在进风段的入口处设有防护网，在进风段内装有蜂窝器，进风段通过法兰盘A与阻尼段连接，在阻尼段内装有阻尼网，阻尼段通过法兰盘与进风稳定段的右端连接。在工作段长度方向中部上方开有孔C，孔C的垂直中心线与风洞的水平轴中心线相交，由孔C向下可垂直插入风速仪测头，风速仪测头的连接杆上可水平插入下密封圈和上密封圈，在下密封圈的中心设有孔B，在其大径右边开有右缝隙，在上密封圈的中心设有孔A，在其大径左边开有左缝隙，下密封圈安装在孔C和固定环内，上密封圈压在下密封圈上，上密封圈可密封下密封圈上的右缝隙，上密封圈和下密封圈均为高弹性耐磨橡胶制成。固定环焊固在孔C外顶部，左压板和右压板的下表面压在上密封圈的上表面，左压板和右压板通过螺栓紧固在固定环上，左压板的中心设有左压板半孔，右压板的中心设有右压板半孔，两半孔和对齐形成的孔内中心为连接杆。门式框架的两边门框底端平行与风洞水平轴中心线并焊固在固定环的两侧，在门式框架顶梁中部下表面通过螺栓装有伺服电机A，电机轴A上固定轴套A，在轴套A上焊有水平连接板，在水平连接板的另一端通过螺栓固定垂直电动伸缩杆A，在伸缩端A的下端通过法兰盘B固定电动夹爪A，两水平夹爪A夹持连接杆的上部。
电动伸缩杆A工作可使风速仪测头上下移动，伺服电机A工作可使风速仪测头转动。风翅转动段内有三对风翅固定在长电机轴B34上，伺服电机B通过螺栓固定在托架A上。在工作段中部外后面的地面上放有托架B，在托架B上装有伺服电机C，在伺服电机C的轴上装有激光多普勒测速仪，在托架B的前面上部还装有监控摄像头。在进风段右端地面上放有示踪粒子烟雾发射器，示踪粒子烟雾发射器的烟雾出口位于风洞水平轴中心线右端正下方。烟雾发射器、电动夹爪A、电动伸缩杆A、微风速仪试样、伺服电机A、伺服电机B、激光多普勒测速仪、伺服电机C、监控摄像头、电动伸缩杆B、高速轮廓测量仪、电动夹爪B等电控导线均与显示PLC控制器连接，对PLC控制器输入对风速仪测头的校准控制程序和图像分析软件。
基于上述的测速校准装置，其使用方法具体为：
首先对微风速仪试样进入风洞的部分即风速仪测头及连接杆的轮廓进行测量计算出堵塞比，其方法是：将微风速仪试样的把手放置在两平行夹爪B之间，按动显示PLC控制器中的轮廓测量按钮，电动夹爪B工作两夹爪B夹持住微风速仪试样，高速轮廓测量仪工作发出激光发射面照射在风速仪测头和连接杆上，电动伸缩杆B工作使安装在伸缩杆B上端的高速轮廓测量仪发出的激光发射面扫过风速仪测头和连接杆，高速轮廓测量仪将测量的数据发送至PLC控制器，待计算堵塞比。
然后，按动显示PLC控制器中的轮廓测量完毕按钮，电动夹爪B反向工作，取下微风速仪试样，再将微风速仪试样的风速仪测头垂直插入固定环并尽可能使风速仪测头的水平轴中心线与风洞水平轴中心线重合，将下密封圈上的右缝隙由左至右插入连接杆，在下密封圈上方将上密封圈的左缝隙由右至左插入连接杆，将左压板和右压板对齐成圆形放置在上密封圈上向，用螺栓将左压板和右压板紧固在固定环上，使下密封圈位于孔C和固定环内，上密封圈下表面密封住下密封圈上的右缝隙。
其次，按动显示PLC控制器中的启动按钮，各电控部件进入工作状态，PLC控制器控制电动夹爪A工作使两夹爪A夹持住连接杆，PLC控制器根据监控摄像头提供的影像数据启动电动伸缩杆A使风速仪测头的水平轴中心线移至与风洞水平轴中心线重合位置，在启动伺服电机A使风速仪测头的迎风面垂直于风洞水平轴中心线，PLC控制器根据风速仪测头和连接杆实际插入风洞工作段内的深度及已知的工作段内面积轮廓计算出实际堵塞比。
再次，PLC控制器依据编程启动伺服电机B长电机轴B转动，安装在长电机轴B上的三对风翅转动使风洞由右至左形成压力差，由于采用了长电机轴B所以风翅转动段处的气流溢出得到控制和保证，当伺服电机B的转速和工作时间均达到编程设定值后PLC控制器启动示踪粒子烟雾发射器使烟雾出口溢出少量烟雾，烟雾为风洞流场专用粒子直径0.2～10微米 ，因风洞右边为负压所以烟雾由进风段流经至工作段最后经风翅转动段溢出。
最后，当风洞工作段内的风速稳定后激光多普勒测速仪测出示踪粒子烟雾流经风速仪测头的风速为风洞标定值，该标定值与微风速仪试样的风速仪测头测出的风速值进行比对后显示PLC控制器做出该微风速仪试样的校准结果。最终，PLC控制器控制示踪粒子烟雾发射器和相关电控部件停止工作。
本发明的有益效果是：
本发明利用激光测量技术，解决了现有的微风速仪校准质量和校准效率不高的问题，大大提高了微风速仪的准确度。
附图说明
图1为本发明的微风速仪校准装置的主视剖视图；
图2为本发明的微风速仪校准装置的俯视图；
图3为本发明的微风速仪校准装置的侧视图；
图4为本发明的图1的A、B、C向剖视图；
图5为本发明的上密封圈剖面放大图；
图6为本发明的上密封圈俯视图；
图7为本发明的下密封圈剖面放大图；
图8为本发明的下密封圈俯视图；
图9为本发明的左、右压板使用状态放大图；
图10为本发明的测量微风速仪轮廓示意图；
图11为本发明的微风速仪校准装置的工作段的局部放大图；
图中，
1、工作台，2、示踪粒子烟雾发射器，3烟雾出口，4、防护网，5、进风段，6、蜂窝器，7、法兰盘A，8、阻尼段，9、阻尼网，10、进风稳定段，11、圆变方收缩段，12、工作段，13、右压板,14、上密封圈,15、电动夹爪A,16、法兰盘B,17、伸缩端A,18、电动伸缩杆A,19、水平连接板,20、伺服电机A,21、电机轴A,22、门式框架,23、轴套A,24、微风速仪试样,25、夹爪A,26、左压板,27、下密封圈,28、固定环,29、方变圆收缩段,30、出风稳定段,31、长形喇叭口段,32、风翅转动段,33、风翅,34、长电机轴B,35、伺服电机B,36、托架A，37、显示PLC控制器,38、托架B,39、孔C，40、托架C,41、托架D,42、激光多普勒测速仪,43、伺服电机C,44、监控摄像头,45、左缝隙,46、右缝隙，47、风洞水平轴中心线，48、风速仪测头,49、连接杆，50、孔A，51、孔B，52、左压板中心半孔，53、右压板中心半孔,54、电动伸缩杆B，55、伸缩端B，56、高速轮廓测量仪，57、激光发射面，58、夹爪B，59、电动夹爪B。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1-图11为本发明的一种具体实施例，如图所示，该实施例在工作台1上放有托架A36、托架C40、托架D41共同托一变径直路型风洞，风洞的中心线水平，风洞由进风段5、阻尼段8、进风稳定段10、圆变方收缩段11、工作段12、方变圆收缩段29、出风稳定段30、长形喇叭口段31、风翅转动段32段构成。
其中进风稳定段10、圆变方收缩段11、工作段12、方变圆收缩段29、出风稳定段30、长形喇叭口段31、风翅转动段32为PC（聚碳酸酯）透明材料制成的一体结构，在进风段5的入口处设有防护网4，在进风段5内装有蜂窝器6，进风段5通过法兰盘A7与阻尼段8连接，在阻尼段8内装有阻尼网9，阻尼段8通过法兰盘与进风稳定段10的右端连接。在工作段12长度方向中部上方开有孔C39，孔C39的垂直中心线与风洞的水平轴中心线47相交，由孔C39向下可垂直插入风速仪测头48，风速仪测头48的连接杆49上可水平插入下密封圈27和上密封圈14，在下密封圈27的中心设有孔B51，在其大径右边开有右缝隙46，在上密封圈14的中心设有孔A50，在其大径左边开有左缝隙45，下密封圈27安装在孔C39和固定环28内，上密封圈14压在下密封圈27上，上密封圈14可密封下密封圈27上的右缝隙46，上密封圈14和下密封圈27均为高弹性耐磨橡胶制成。固定环28焊固在孔C39外顶部，左压板26和右压板13的下表面压在上密封圈14的上表面，左压板26和右压板13通过螺栓紧固在固定环28上，左压板26的中心设有左压板半孔52，右压板13的中心设有右压板半孔53，两半孔52和53对齐形成的孔内中心为连接杆49。
门式框架22的两边门框底端平行与风洞水平轴中心线47并焊固在固定环28的两侧，在门式框架22顶梁中部下表面通过螺栓装有伺服电机A20，电机轴A21上固定轴套A23，在轴套A23上焊有水平连接板19，在水平连接板19的另一端通过螺栓固定垂直电动伸缩杆A18，在伸缩端A17的下端通过法兰盘B16固定电动夹爪A15，两水平夹爪A25夹持连接杆49的上部。电动伸缩杆A18工作可使风速仪测头48上下移动，伺服电机A20工作可使风速仪测头48转动。
风翅转动段32内有三对风翅33固定在长电机轴B34上，伺服电机B35通过螺栓固定在托架A36上。在工作段12中部外后面的地面1上放有托架B38，在托架B38上装有伺服电机C43，在伺服电机C43的轴上装有激光多普勒测速仪42，在托架B38的前面上部还装有监控摄像头44。在进风段5右端地面上放有示踪粒子烟雾发射器2，示踪粒子烟雾发射器2的烟雾出口3位于风洞水平轴中心线47右端正下方。烟雾发射器2、电动夹爪A15、电动伸缩杆A18、微风速仪试样24、伺服电机A20、伺服电机B35、激光多普勒测速仪42、伺服电机C43、监控摄像头44、电动伸缩杆B54、高速轮廓测量仪56、电动夹爪B59等电控导线均与显示PLC控制器37连接，对PLC控制器37输入对风速仪测头48的校准控制程序和图像分析软件。
本实施例的具体使用方法为：
首先，对微风速仪试样进入风洞的部分即风速仪测头48及连接杆49的轮廓进行测量计算出堵塞比，其方法是：将微风速仪试样24的把手放置在两平行夹爪B58之间，按动显示PLC控制器37中的轮廓测量按钮，电动夹爪B59工作两夹爪B58夹持住微风速仪试样24，高速轮廓测量仪56工作发出激光发射面57照射在风速仪测头48和连接杆49上，电动伸缩杆B54工作使安装在伸缩杆B55上端的高速轮廓测量仪56发出的激光发射面57扫过风速仪测头48和连接杆49，高速轮廓测量仪56将测量的数据发送至PLC控制器37，待计算堵塞比，见附图10。
然后，按动显示PLC控制器37中的轮廓测量完毕按钮，电动夹爪B59反向工作，取下微风速仪试样24，再将微风速仪试样24的风速仪测头48垂直插入固定环28并尽可能使风速仪测头48的水平轴中心线与风洞水平轴中心线47重合，将下密封圈27上的右缝隙46由左至右插入连接杆49，在下密封圈27上方将上密封圈14的左缝隙45由右至左插入连接杆49，将左压板26和右压板13对齐成圆形放置在上密封圈14上向，用螺栓将左压板26和右压板13紧固在固定环28上，使下密封圈27位于孔C39和固定环28内，上密封圈14下表面密封住下密封圈27上的右缝隙46。
其次，按动显示PLC控制器37中的启动按钮，各电控部件进入工作状态，PLC控制器37控制电动夹爪A15工作使两夹爪A25夹持住连接杆49，PLC控制器37根据监控摄像头44提供的影像数据启动电动伸缩杆A18使风速仪测头48的水平轴中心线移至与风洞水平轴中心线47重合位置，在启动伺服电机A20使风速仪测头48的迎风面垂直于风洞水平轴中心线47，PLC控制器37根据风速仪测头48和连接杆49实际插入风洞工作段12内的深度及已知的工作段12内面积轮廓计算出实际堵塞比。
再次，PLC控制器37依据编程启动伺服电机B35长电机轴B34转动，安装在长电机轴B34上的三对风翅33转动使风洞由右至左形成压力差，由于采用了长电机轴B34所以风翅转动段33处的气流溢出得到控制和保证，当伺服电机B35的转速和工作时间均达到编程设定值后PLC控制器37启动示踪粒子烟雾发射器2使烟雾出口3溢出少量烟雾，烟雾为风洞流场专用粒子直径0.2～10微米，因风洞右边为负压所以烟雾由进风段5流经至工作段12最后经风翅转动段32溢出。
最后，当风洞工作段12内的风速稳定后激光多普勒测速仪42测出示踪粒子烟雾流经风速仪测头48的风速为风洞标定值，该标定值与微风速仪试样24的风速仪测头48测出的风速值进行比对后显示PLC控制器37做出该微风速仪试样24的校准结果。最终PLC控制器37控制示踪粒子烟雾发射器2和相关电控部件停止工作。
在这里需要说明的是，上文中提及的“堵塞比”，也叫“阻塞比”，是指实验模型在实验风道截面上的投影面积与风道截面积之比。这里的实验模型指的就是图11中所示的插入在风道中的风速仪测头48和连接杆49，只有计算出实际堵塞比后，才能对测得的风速进行修正，用来对比激光多普勒测速仪42测得的风速和风速仪侧头48测得的风速结果。
本实施例的校准原理就是，通过激光多普勒测速仪42照射透明的风道，测出风道中的随风运动的示踪粒子烟雾，就是风道中的风速，以此作为风速标定值，然后再与经过堵塞比计算修正后的风速仪测头48得到的风速进行对比，以此来显示风速仪的精准度，如果偏差较大，通过不断微调风速仪的传感器转动轴与仪器转动轴的同心度或微调风速传感器的参数等方式，直到测得的风速与风道激光测得的风速一致。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。