風(fēng)速測量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與探究

唐 芮，李梅，張玲玲，林光輝，陳 前

（湖北大學(xué)，湖北 武漢 430062）

風(fēng)速是最基本的氣象要素之一，進(jìn)行氣象學(xué)的理論研究、科學(xué)試驗(yàn)以及相關(guān)工程技術(shù)和日常生活需要等問題都離不開風(fēng)速的測量。有效地監(jiān)控、檢測自然風(fēng)風(fēng)速以及各種不同來源的風(fēng)速，是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的實(shí)踐研究課題。本文以準(zhǔn)確及時(shí)測量風(fēng)速為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，利用法拉第電磁感應(yīng)原理和感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，采用風(fēng)杯、導(dǎo)體棒、磁鐵等器件制作裝置，用DISLAB傳感器采集信息，后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到風(fēng)速測量值。實(shí)驗(yàn)裝置簡單，物理原理明晰，適用于學(xué)生自主探究和制作，可作為學(xué)生課外活動的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課題，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新意識。

1 風(fēng)速測量的實(shí)驗(yàn)原理與裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由風(fēng)杯組系統(tǒng)（圖1）和電磁信號產(chǎn)生與采集系統(tǒng)（圖2）兩部分組成。

圖1 風(fēng)杯組示意圖

圖2 電磁信號產(chǎn)生與采集系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)原理概述

風(fēng)杯組系統(tǒng)如圖一所示。風(fēng)杯組由三個半球形的空心杯殼組成，杯殼固定在互成120度的三叉形金屬支架上。杯的凹面順著同一個旋轉(zhuǎn)方向排列，三個橫臂架則固定在一根垂直的中心旋轉(zhuǎn)軸上。當(dāng)風(fēng)以一定的速度流動時(shí)，對風(fēng)杯產(chǎn)生風(fēng)壓，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，帶動中心軸轉(zhuǎn)動，風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)的線速度v和風(fēng)速fv成一定的函數(shù)關(guān)系。

脈沖電流信號采集系統(tǒng)原理如圖二所示。由于風(fēng)杯組中心軸的轉(zhuǎn)動，帶動固定在中心軸上的導(dǎo)體棒l同步轉(zhuǎn)動，并在磁場B中切割磁感線，產(chǎn)生動生電動勢E。由于實(shí)驗(yàn)裝置的導(dǎo)體棒l每轉(zhuǎn)一周與彈性簧片短暫接觸一次，從而產(chǎn)生周期性的脈沖感應(yīng)電流i，其周期與風(fēng)杯組轉(zhuǎn)動周期相同。由電壓傳感器采集此電流i，并對其進(jìn)行處理，可得到周期性的脈沖電流波形圖，由此可測到對應(yīng)的周期T。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與數(shù)據(jù)分析

啟動風(fēng)源，風(fēng)杯組以一定的線速度v開始轉(zhuǎn)動，利用數(shù)據(jù)采集器采集脈沖式電流對應(yīng)的周期值，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄如圖3所示。

圖3 脈沖式電流信號

圖3 曲線可顯示風(fēng)杯組旋轉(zhuǎn)周期、電流脈沖幅值大?。M軸為時(shí)間標(biāo)度，縱軸為電流強(qiáng)度標(biāo)度）。由于待測風(fēng)速是勻速的，所以得到的脈沖電流的周期和峰值大小在一定誤差允許的范圍內(nèi)近似不變。

分析脈沖電流波形，得到20個連續(xù)脈沖電流時(shí)間段的平均周期T，然后通過標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀定標(biāo)得到相應(yīng)的風(fēng)速值fv，測量結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀測量記錄表

通過matlab數(shù)學(xué)軟件將上述數(shù)據(jù)擬合得到了T與fv的關(guān)系曲線如下：

圖4 T－fv擬合曲線

由風(fēng)速與周期的擬合曲線得到對應(yīng)的關(guān)系公式為：fv＝3.6673T－1.1430，由實(shí)驗(yàn)得到相應(yīng)的T之后，直接帶入公式就能得到風(fēng)速fv的值。函數(shù)的擬合優(yōu)度為：R2＝0.9984；系數(shù)的不確定度為：u（a）＝2.05%；指數(shù)的不確定度為：u（b）＝4.02%。

根據(jù)上述定標(biāo)后擬合得到的風(fēng)速關(guān)系式fv＝3.6673T－1.1430，再采用數(shù)學(xué)軟件EXCEL進(jìn)行相關(guān)處理，得到了風(fēng)力級別與脈沖電流周期、風(fēng)速數(shù)據(jù)的對應(yīng)的關(guān)系表（表2），然后據(jù)此將其整理出一個簡明的脈沖電流周期與風(fēng)力級別對照表（表3）。在進(jìn)行風(fēng)速測量時(shí)，采用本實(shí)驗(yàn)裝置即可得到與待測風(fēng)速相對應(yīng)的周期值，然后參照風(fēng)速表和等級表即可確定待測風(fēng)速的大小和等級。

表2 電流周期、風(fēng)速、風(fēng)力等級對應(yīng)參照表

表3 風(fēng)力等級參照表

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)裝置的風(fēng)杯組由三個半球形的空心杯殼組成，風(fēng)以一定的速度流動時(shí)，對風(fēng)杯產(chǎn)生風(fēng)壓，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，帶動中心軸轉(zhuǎn)動。經(jīng)過理論上的多次計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，將風(fēng)杯口平面設(shè)計(jì)成與水平面成正交的方式，能最大限度地提高測量裝置的精確度并減小裝置的響應(yīng)時(shí)間。如圖二所示，采集數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體棒每轉(zhuǎn)一周與靜止的彈簧片點(diǎn)接觸一次，從而激發(fā)一個電脈沖。采用這種“點(diǎn)接觸”方式導(dǎo)通電流信號采集電路，不僅能減小摩擦力的影響，并且可獲得連續(xù)的周期脈沖電流信號圖象（如圖3）。由風(fēng)力推動風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)電流現(xiàn)象的圖象顯示直觀穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)可即時(shí)采集、準(zhǔn)確處理。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理簡明，易于分析。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)以法拉第電磁感應(yīng)定律為設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，以價(jià)廉、環(huán)保、易于獲取的常規(guī)器件作為制作材料，設(shè)計(jì)與探究的內(nèi)容，共有三個方面的用途。其一，制作出的儀器裝置可用于多種形式的風(fēng)速測量，使用方便，操作簡單。其二，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可作為學(xué)生探究、啟發(fā)性的自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法簡單，測量誤差較小，精度高，針對性強(qiáng)，適用于學(xué)生課外科技實(shí)踐創(chuàng)新、課程認(rèn)知探究等研究與學(xué)習(xí)的實(shí)踐活動。其三，以本文為基礎(chǔ)，可啟發(fā)學(xué)生利用電磁感應(yīng)定律，設(shè)計(jì)出同類的新型實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生創(chuàng)新型學(xué)習(xí)的遷移效應(yīng)。如：可將電磁感應(yīng)裝置的導(dǎo)體棒改為條形小磁鐵，將彈性簧片處安裝多匝小線圈，線圈兩端與采集信號輸入電路相聯(lián)。當(dāng)小磁鐵 隨風(fēng)杯組中心軸一起轉(zhuǎn)動時(shí)，在線圈中會產(chǎn)生脈沖式的感生電流，采集脈沖式電流信號，就可獲得風(fēng)速測量的數(shù)據(jù)。

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