激光风速标准器量值溯源装置研制

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第 3期2013年 9月气 象 水 文 海 洋 仪 器Meteorological，Hydrological and Marine InstrumentsNO．3Sep．2013激光风速标准器量值溯源装置研制粱 婧 ，贺晓雷 ，张国玉(1．长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2．中国气象局气象探测中心，北京 100010)摘 要：针对如何采取有效的技术手段将激光测速仪的测速结果溯源到国际单位制中以米(m)和秒(s)表示的基本单位上，介绍了一种适用于研制激光测速仪的线速度模拟装置原理样机的方案。该方案利用样机的角速度模拟线速度，达到线速度为 0．1～10 m／s、误差为1 的技术指标及精度要求。根据线性热膨胀系数来选择样机材料，用伺服电机驱动，并用 PWM 控制伺服电机；光电编码器采取M／T法进行转速测量，采用非接触方式进行温度监测；根据得到的测量结果对激光测速仪进行溯源。本方案对将来应用于制造激光风速标准器量值溯源装置，具有重要意义。

关键词 ：激光测速仪；量值溯源 ；PWM；M／T法；非接触测温中图分类号：TH765 文献标识码 ：A 文章编号：1006—009X(2013)03—0013—04Development on value traceability device of laser wind speed standardsLiang Jing ，He Xiaolei。，Zhang Guoyu(1．Photoelectric Engineering College of Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.

CMA Meteorological Observation Centre，Beijing 100010)Abstract：Aiming at how to take effective technical means of backing Iaser velocimeter speed results tothe international system of units to meters and the basic unit of seconds，this paper introduces ascheme for making the prototype that can be used to study the laser velocimeter based on the principleof linear velocity simulator．This scheme uses the linear velocity of the prototype to simulate angularvelocitv in order to reach the requirements of 0．1—10 m／s linear velocity and 1 accuracy．Accordingto the coefficient of linear thermal expansion to choose prototype material，the servo motor is appliedto drive with PWM contro1．Photoelectric encoder takes the M／T method to measure the speed anduses non-contact methods to monitor the temperature． The traceability Of the 1aser velocimeter iscarried out according to the measurement results． This scheme is of great significance for makingvalue traceability device of 1aser wind speed standards in the future.

Key words：laser velocimeter；value traceability；PWM；M／T method；non—contact temperaturem east1rem ent0 引言目前，我国气象行业风速测量最高标准器采用的是标准皮托静压管。由于标准皮托静压管在低风速下灵敏度不够，与其配套使用的微差压计误差以量程上限误差计算，这样造成在低风速下收 稿 日期 ：2013—03—18.

基金项目：国家气象行业专项：气候观测综合计量检定技术研究(GYHY200706003).

作者简介：梁婧(1989～)，女，硕士研究生．主要从事仪器科学与技术研究.

· 14 · 气 象 水 文 海 洋 仪 器该标准器准确度水平急剧下降 ，不能适应业务上测量误差优于 1 的技术要求。气象部 门拟采用激光测速仪取代标准皮托静压管作为低风速段风速测量标准器，以实现低风速下空气流速的准确测量。要实现这一改变 ，目前还存在着一个尚待解决的技术问题。那就是如何采取有效 的技术手段将激光测速仪的测速结果溯源到国际单位制中以米(m)和秒(S)表示的基本单位上 。本方 案的研制，目的是提供 出一套完整的激光量值 溯源装置 没计和运行方案 ，供有关部门进行参考实施 ，从而达到解决上述技术问题 ，保证我 国风速测量标准装置溯源性 的效果。

1 设计思想本方案设计的样机主要 由电机、圆盘及 其传动装置 、测速仪器 、微处理器等组成，如图 1所示 。

用电机驱动圆盘 ，并用和电机同轴连接的光电传感器测量圆盘转速 ，利用 圆盘转 动时的角速度去模拟线速度 ，微处理器的 PWM 控制圆盘转速使其稳定 ，并用非接触测量 的方式 实时监测圆盘的温度。与激光多普勒测速仪打到转动的圆盘时所测得的速度对比，反复修正圆盘的线速度值 ，预期达到线速度范围：0．1～10 m／s；线速度误差 ：1的技术指标 内。

图 1 系统总体框图2 研究方法与思路2．1 实验装置材料的选择由于本文采取的是以角速度模拟线速度的方式来测量 ，因此圆盘半径的变化会引起线速度变化 ，而半径变化的大小又与制成 圆盘材料的热膨胀系数有关，热膨胀系数越大，热变形越大。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料 的热稳定性好坏的一个重要指标 ，材料膨胀 系数 的选用对精密机械热误差修正的结果好坏有着决定性的影响 ，因此在选材上，材料的热膨胀系数的可靠性是一个重要的考虑因素。另外，其材料还应具有 良好的导热性、极高的耐蚀性 、优 良的加丁_[艺性 、强度高、弹性好 、价格成本适中等特点 。

基于上述因素 ，本文选用 白铜 B30作为制造样 机的材料。

白铜是以镍为主要添加元素的铜基合金 ，纯铜加镍后，能显著提高其强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性，并降低电阻率温度系数。因此白铜较其他铜合金的机械及物理性能都要优 良，其延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀，而且具有良好的冷热加工工艺[1]。在 O～100℃范围内，它的热膨胀系数较小 ，为(14．47～15．41)×10一／~c，其导热性也很好 。

2．2 实验装置本实验装置主要由旋转盘及其连接它的传动装置组成 ，如 图 2所示 。旋转 圆盘为装置的核 心部分 ，圆盘直径为 300 mm、厚度为 50 mm。圆盘打孔减轻了负载的重量 ，便于调控 。旋转盘结构图和基本参数如表 1所示 。

图 2 旋转 盘结构 图表 1 旋转盘基本参数2．3 驱动电机的选择本文选择伺服电机作为驱动控制电机。因为伺服电机的控制精度高 ，低速时运转平稳，不会出现振动现象 。交流伺服 电机为恒力矩输 出，即在其额定转速(一般为 2 000 RPM 或 3 000 RPM)以内，都能输出额定转矩 ，在额定转速以一k为恒功率输 出。具有较强的过载能力 。交流伺服驱动系统为闭环控制 ，驱动器可直接对 电机编码器反馈信号进行采样 ，内部构成位置环和速度环 ，一般不会出现步进电机 的丢步或过 冲的现象 ，控制性 能第 3期 梁 婧 ，等 ：激光风速标准器量值溯源装置研制 ‘15。

更为可靠。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋 400 W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3 000 RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

转矩与电机功率、转速之间的关系如下 ：T= 9 550 P／nE (1)式中：P为功率；丁为转矩； 为转速。

本文负载转矩 T分为两个部分 ：启动转矩 T和摩擦力转矩 T。。

启动转矩 ：T 一 J口一 0．093×6．6 667— 0．62(N．m)(2)式中：J为圆盘转动惯量 ；a为角加速度 。各参数值为 ：一 1／2 mI 一0．093(kg．m2)n—v 7 2nR=6．369～636．943(rad／min)口一2nn／At=6．6 667(rad／s )设达到最大转速时：At=10 s，转速 为 0．1～10 m／s，圆盘半 径 R为 0．15 m，圆盘质 量 m 为8．223 kg，则 ：摩擦转矩 ：丁2一 rn r。 (3)T2其值很小，可忽略； 为摩擦系数；r为轴承处的半径。

因此输出扭矩必须大于等于0．62 N．m 。

由(1)式：P— T·n／9549一 (0．62×637)／9549— 41．36(W ) (4)所以电机输出功率必须≥ 41．36 w，故可预选5O W电机。

因负载和电机均为恒转矩输出，采用恒转矩负载配恒转矩调速方式 ，只要选择电机容许输出转矩T—TJ_负载转矩，那 么无论运行在什 么转速上，电动机的电枢电流 L— 不变，输出功率 P==PL，电动机得到了充分的利用嘲。

2．4 转速测量方法直接测量电机转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件。本试验采用光电编码器测转速。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。从而通过计算电脉冲的个数来测速．受外界干扰小 ，而且电路之间没有电器连接，可以不用考虑阻抗匹配之类的东西。可提高测速精度，扩大测速范围，还可大大简化系统体积结构。

基于光电编码器 的转速检测方案主要有以下几种方法 。

(1)M法：通过测量确定数个脉冲所用时间来获得转速，此法适用于高速测量；(2)T法：通过测量相邻脉冲间的时间间隔获得转速，此法适用于低速测量；(3)M／T法：通过同时测量光电编码器输出脉冲的数目和时间间隔并将它们相除后获得转速，可满足一些快速性要求不高的速度伺服控制的要求，它具有宽的调速范围、高精度和高分辨率的特点 此法适用于转速动态范围较大的场合 ]。

根据 0．1～1O m／s的测速范围，选取 M／T法，即：测频测周法。M／T法测速原理如图 3所示。

m 1]?lIl?川lll???l I～ — ／ ”‘2图 3 M／T法测速原理测速时间 由测速脉冲来 同步，即 等于整个脉冲周期。设从图3上 a点开始，计数器分别对 m 和 m 计数 ，到达 b点，预计 的测速时间 一到，微机即发出停机指令，但因为 丁r不一定恰好等于整数个编码输出脉冲周期，所以计数器仍对时钟脉冲计数 ，直到 c点时，可以利用下一个转速脉冲上升沿(即c点)触发数字测速硬件电路使计数器停止计数。这样，m 代表了m 个测速脉冲周期的时间_5]。设时钟脉冲频率为 ，光电编码器每转发出 个脉冲，则电机转速的计算公式为：n 一 —
60ti
— m, (5) = L0 J
pm2式中： 为转速； 为晶体震荡频率；m 为输入脉冲数，反映转角；m 为时基脉冲数。

2．5 系统硬件设计本文选用 ARM9处理器的 S3C2440芯片对处理的信号转换成转速的实际值 ，送入显示屏。用触摸屏来对所测量到的转速进行显示。用光电编码器采集光电信号，用斯密特触发器对传感器送过来的信号进行整形，在送入单片机进行数据的处理转换。接 口装 置 的数 字量 输 出模 块 通过 采 用MAX202芯片实现 RS232输出，以便实现上位机及同单片机数据通信。

· 16 · 气 象 水 文 海 洋 仪 器本系统根据 PWM调速的基本原理，用直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据 ，实现对直流电动机的平滑调速 ，并通过单片机控制速度的变化。

D一每 (6)当电源电压不变的情况下 ，电枢的端电压的平均值为 = D，因此改变占空 比D就可以改变端电压的平均值 ，从而达到调速 的 目的，这就是 PWM调速原理l 。

硬件系统由两个部分组成 ：电机驱动模块和转速测试模块 。电机主要采用 PWM 技术驱动，通过单片机控制器产生 PWM矩形波，PWM 矩形波经过驱动电路的放大对直流 电机进行 PWM 控制。

转速测试模块主要运用光 电片编码器和单片机外部中断功能 ，实现转速的即时显示 。光电编码器直接连接到电机主轴上 ，当电机旋转后，编码盘也跟着转动，通过光电编码器产生脉冲信号，脉冲波形经整形后送人单片机，完成对脉冲信号的采样工作，并根据程序控制电机的不同转速 ，采用 M／T法对转速进行计算，并最终显示测量的电机转速。将测得的速度反馈到输入端即让反馈信号与给定量进行比较。从而达到对直流电机的较为精确的控制。

因为选择了闭环控制 ，两个模块各 自由单片机控制 ，工作状态稳定。

图 4为系统硬件设计框图。

图 4 系统硬件设计框图3 温度测量设计因本装置中圆盘转动时会产生热能，温度升高造成圆盘膨胀 ，对测量结果产生的影响较大 ，所以要对温度进行实时监测。传统的接触式测量传感器响应速度过慢，不适于用来测量运动 中的物体温度，本文要求测量温度用的传感器不能与被测物体相接触，这就需要一种非接触的测温方式来满足上述测温需求。

非接触红外测温具有以下优点 ：(1)它的测量不干扰被测温场 ，不影响温场分布 ，从而具有较高的测量准确度 ；(2)测温范围宽 。在理论上无测量上限 ，可以测量相当高的温度 ；(3)探测器 的响应 时间短，反应速度快，易于快速与动态测量；(4)不必接触被测物体，操作方便 ；(5)可以确定微小 目标的温度。

本文选用红外测温仪对圆盘里外圈测量 ，取温度的平均值，看温度每差 1℃ ，转速差多少。

4 结束语本文提出了一种用于研制激光测速仪的线速度模拟装置原理样机的方案，解决 了装置材料、电机控制和测速、温度测量方法的选择问题 ，达到了硬件设计和软件调试前的前期准备，后续需要进行硬件和软件的测试，并进行实验，以达到 1 的精度要求。

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