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空中水物理测量传感器设计

作　者: 丁铁
导　师: 刘清惓
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 传感器云水含量有限元分析温度控制 PID算法
分类号: P414.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

云中液态水含量的测量,在人工影响天气试验和云物理研究中是一项不可缺少的环节,对提高我国气象探测和灾害预警能力具有重要意义。一般情况下,决定被作业的云能否降雨的重要条件在于云中是否有足够的液态水滴存在。云液态水含量是衡量区域人工降雨潜力和降雨作业条件选择的最重要指标之一。因此,实时测量云中液态水含量是催化作业中极为重要的环节。本文针对传统云水含量传感器体积大、功耗大等局限性,设计了一种测量强对流天气中云水含量的微型云水含量传感器。本文通过理论分析和有限元仿真,对微型传感器在云中液态水的蒸发以及气流传热作用下的温度场进行仿真计算,得出加热电阻所需功率和云水含量之间关系,验证了传感器设计的可行性。为了准确测量出单位体积内云水含量的大小,本文在热线仪法的基础上设计并试制了微型云水含量传感器系统。系统主要采用了MSP430F149微控制器作为主控芯片,使用RS232的通信协议实现系统内外的数据通信。另外,系统还使用PID控制算法完成对传感器迎风面温度的实时控制,使其温度误差在±0.3℃范围内。通过实验测量,在云水含量为0.4g/m3时,该传感器测量值为0.37g/m3,在该工作状况下传感器功耗仅为3.32W。实验结果表明,该微型云水含量传感器体积小、重量轻、功耗低,有望应用于强对流天气中的云水含量测量。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-8
第一章绪论  8-14
  1.1 云水含量测量的目的和意义  8
  1.2 云水含量测量的方法  8-11
    1.2.1 光学测量法  9
    1.2.2 微波测量法  9-10
    1.2.3 热线仪测量法  10-11
  1.3 测量仪器和国内外研究进展  11
  1.4 研究的内容和方法  11-14
第二章微型云水含量传感器的设计及有限元分析  14-30
  2.1 传感器的结构与工作原理  14
  2.2 有限元分析  14-17
    2.2.1 有限元分析法  15
    2.2.2 ANSYS简介  15-16
    2.2.3 ANSYS的分析过程  16-17
  2.3 热分析基础知识  17-19
    2.3.1 传热学基础理论  17-18
    2.3.2 三种基本热传递方式  18
    2.3.3 稳态与瞬态热分析  18-19
  2.4 传感器的稳态热分析仿真  19-28
    2.4.1 微型云水含量传感器实体模型的建立  19-21
    2.4.2 模型网格划分  21-23
    2.4.3 材料参数及加载条件  23
    2.4.4 模拟结果及分析  23-28
  2.5 本章小结  28-30
第三章微型云水含量传感器系统硬件设计  30-40
  3.1 外围系统硬件总体结构  30
  3.2 主控模块设计及选型  30-33
    3.2.1 单片机的选用  30-31
    3.2.2 单片机介绍  31-32
    3.2.3 主控模块设计  32-33
  3.3 信号采集模块器件选型及设计  33-35
    3.3.1 Pt100温度传感器  33-34
    3.3.2 AD8236仪表放大器  34
    3.3.3 信号采集模块设计  34-35
  3.4 控制模块设计  35-37
    3.4.1 PWM波形的产生  36-37
    3.4.2 控制模块器件的选型  37
  3.5 通信模块设计  37-38
  3.6 本章小结  38-40
第四章系统软件设计  40-50
  4.1 软件组成  40-41
  4.2 主程序模块  41
  4.3 数据采集处理模块  41-43
  4.4 控制算法  43-47
    4.4.1 PID控制原理  43-44
    4.4.2 PID控制理论及其特点  44-46
    4.4.3 PID控制算法  46-47
    4.4.4 PID参数的整定  47
  4.5 数据显示模块  47-49
  4.6 本章小结  49-50
第五章测试与实验结果  50-56
  5.1 测试方法及结果分析  50-53
  5.2 云水含量传感器测试标定系统的设计  53-55
  5.3 本章小结  55-56
第六章结论与展望  56-58
  6.1 结论  56-57
  6.2 展望  57-58
参考文献  58-62
附录  62-63
致谢  63-64
个人简介  64

空中水物理测量传感器设计

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