[发明专利]一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置

说明书

本发明属于风速测量技术领域的一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置，即单摆测速器该发明涉及单摆测速仪的物理装置和其测速原理的数学模型，物理装置包括轻质空心球、单摆线、含有电子陀螺仪和加速度传感器的电子模块；该数学模型的测速原理完全不同于传统的测速原理，创新性的利用单摆的摆角反应局部风速的大小，该发明简化的测速的实验步骤，提高了测量精度和效率，同时可获得更高频的测量数据。

技术领域

本发明属于风速测量仪器的技术领域，具体涉及一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置。

背景技术

目前风速测量的常用方法有机械方法、动散热率法力测压法及激光、超声波等测量方法。其中机械方法的原理是利用流动气体的动压，推动机械装置转动来显示流速。如翼型和杯型机械测速仪均适用于测定15-20m/s内的气流速度，而无法准确测量15m/s以下的风速。

近年来，随着MEMS技术的日渐成熟，电子陀螺仪和加速度传感器被应用到越来越多的领域，其具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可批量生产等传统机械无法比拟的优点。

基于现有测速方法的限制以及发展成熟的MEMS技术，该专利提出了一种新的测速装置及其原理。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速装置及其测速技术。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于电子陀螺仪和加速度传感器的单摆测速仪装置，包括单摆测速器，其中单摆测速器包括摆球、摆线、电子模块；

所述单摆测速仪，所述摆球为轻质空心球，其直径应小于所测环境的最大允许尺度；摆线为轻质细线，其应保证小球的摆动强度，长度不小于10倍小球直径；电子模块中应集成电子陀螺仪和电子加速度计中、蓝牙芯片、5V纽扣电池以及其他必须元器件，且电子模块置于空心球内部，并且使小球的整个小球的质心位于小球的形心。

所述测速方法，包括以下步骤：

S1：通过含有电子陀螺仪和电子加速度计的集成模块，实时采集测量数据加速度a_x、a_y、偏转角A。

S2：根据加速度a_x、a_y、A计算得切向加速度a_q、法向加速度a_f

a_q＝a_x cos A+a_y sin A (1)

a_f＝-a_x sin A+a_y cos A (2)

S3：在局部范围内，将小球视为圆周运动，则根据a_f算出小球的切向速度V(t)

V²(t)＝a_f×L (3)

其中L为第一摆线长度；

S4：在局部范围内，对小球列牛顿第二定律方程，获得切向加速度表达式

±F_v(t)+f(t)cos A-mg sin A＝ma_q (4)

其中f(t)＝CU(t)，F_v(t)＝CV²(t)，C为常数，U(t)为水平风速，V(t)为小球切向速度；小球在上升过程时，F_v(t)系数为正；在下降过程时，F_v(t)系数为负。则