基于地鐵復(fù)雜環(huán)境超聲波測風(fēng)儀器優(yōu)勢的應(yīng)用分析

鄺建新　梁心雄

摘要：目標(biāo)是分析風(fēng)向風(fēng)速出現(xiàn)異常的原因，探究超聲波傳感器在地鐵復(fù)雜環(huán)境下儀器傾角的變化對(duì)風(fēng)速測量的影響。目的是超聲風(fēng)速風(fēng)向儀具有測量精度高、響應(yīng)速度快、配置靈活等特點(diǎn)，非常適合地鐵軌道沿線大氣環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的要求，從而保障地鐵軌道交通安全運(yùn)營。結(jié)論是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明超聲波傳感器是一種較為先進(jìn)的測量風(fēng)速風(fēng)向的儀器，該儀器已在地鐵軌道旁這種復(fù)雜環(huán)境條件下得到成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地鐵環(huán)境；傳感器；誤差函數(shù)；數(shù)據(jù)異常

中圖分類號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）06-0195-03

1概述

由于地鐵軌道這種特殊復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境，采集的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)異常，需要分析原因，提出改造措施，保障數(shù)據(jù)正確運(yùn)行。為了準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測動(dòng)態(tài)，安裝設(shè)備所處位置的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)對(duì)地鐵運(yùn)行環(huán)境平臺(tái)來說就顯得尤為重要。

2傳感器分析

2.1故障分析

據(jù)調(diào)查，全國很多省份都出現(xiàn)過此類問題，即機(jī)械式風(fēng)向傳感器出現(xiàn)主軸斷裂及尾翼板脫落的情況，引起此類問題的主要原因：一是風(fēng)尾翼的結(jié)構(gòu)升級(jí)導(dǎo)致問題產(chǎn)生；二是硬物擊打?qū)е挛惨頁p壞。至于風(fēng)速傳感器風(fēng)杯飛出問題，與其結(jié)構(gòu)同特殊風(fēng)場、硬物擊打等方面有關(guān)。2016年下半年以來地鐵番禺區(qū)的自動(dòng)氣象站風(fēng)向傳感器主軸損壞率非常高，其中大部分為：風(fēng)向傳感器主軸因?yàn)椴豢煽氐耐饬ψ饔檬蛊鋽嗔?，并多次更換全新傳感器后重復(fù)出現(xiàn)同樣的設(shè)備損壞現(xiàn)象，風(fēng)速傳感器出現(xiàn)風(fēng)杯整體或一杯飛出的情況，但發(fā)生次數(shù)無前者頻繁。

2.2空氣動(dòng)力模擬分析

自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)庫查詢得知實(shí)測風(fēng)速數(shù)值最大不超過65m/s，該型號(hào)風(fēng)向傳感器抗風(fēng)能力應(yīng)在64m/s以上，地鐵列車經(jīng)過時(shí)對(duì)自動(dòng)站所測風(fēng)速的影響不是很大，另外由于平時(shí)所測的風(fēng)速大多在17.2m/s以下（臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等天氣影響除外），而風(fēng)設(shè)備損壞現(xiàn)象經(jīng)常重復(fù)發(fā)生，可見列車風(fēng)對(duì)風(fēng)傳感器本身影響較大，是引起自動(dòng)站風(fēng)傳感器尾翼脫落的主要原因之一。同時(shí)，由于自動(dòng)站風(fēng)傳感器的支撐風(fēng)桿高達(dá)6米，頂部有橫桿承重，底部并無三角架固定，加上地鐵列車經(jīng)過時(shí)離風(fēng)桿只有大致一米左右距離，而且以50-75km/h左右的速度通過，在高架橋上極易引起自動(dòng)氣象站風(fēng)桿的節(jié)律性震動(dòng)。從空氣動(dòng)力學(xué)流場模擬方法看，平直氣流遇到障礙物時(shí)，會(huì)分成兩部分繞開障礙物。

地鐵列車快速通過安裝地點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大而且是瞬間性很強(qiáng)的“慣性風(fēng)”“切變風(fēng)”，這種復(fù)雜環(huán)境下“慣性風(fēng)”經(jīng)過時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩力和揚(yáng)塵力翻，現(xiàn)場可能存在較多碎石屑及雜物就會(huì)瞬間被這種“慣性風(fēng)”掀起，經(jīng)過碰撞可能會(huì)導(dǎo)致尾翼板的損壞；或者造成風(fēng)速傳感器風(fēng)杯飛出的情況。復(fù)雜環(huán)境下大致每隔3-6分鐘左右，會(huì)形成一個(gè)速度波峰，峰值在6m/s以內(nèi)，波峰與波峰之間的時(shí)間間隔與四號(hào)線列車經(jīng)過的時(shí)間分布基本吻合，這表明，列車經(jīng)過對(duì)自動(dòng)站本身及測出的實(shí)時(shí)風(fēng)速值會(huì)產(chǎn)生一定的影響（實(shí)測風(fēng)速偏差程度本文不作探討）。

2.3超聲波的束射性和指向性

超聲波由于優(yōu)良特性用在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)木材、鋼材、混凝土等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損檢測，此外，還有超聲波測距、測溫、測流體流速等。頻率高于20kHz的聲波是超聲波，諧波聲場的存在使超聲波這一合成聲場具有良好的指向性。是基波和高次諧波的合成，超聲波頻率高，波長短，衍射不嚴(yán)重，聲學(xué)參量陣使得聲波能量在傳播過程中不斷得到加強(qiáng)，沿直線傳播在一定距離內(nèi)有良好的束射性和指向性，容易獲得集中的聲能。

2.4超聲波的換能器

大多數(shù)晶體材料敏感元件的參數(shù)包括壓電常數(shù)、介電常數(shù)和電阻率，機(jī)械強(qiáng)度、剛度、居里點(diǎn)和時(shí)間穩(wěn)定性。目前常用的振子是復(fù)合壓電材料，可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波換能器是超聲波發(fā)射和回波接收器件，作為整個(gè)檢測系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)檢測設(shè)備和工藝確定后，換能器的選擇便成為確保檢測質(zhì)量的最主要因素，換能器的性能直接制約著整個(gè)檢測系統(tǒng)的性能，超聲波探頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3超聲波測風(fēng)儀器實(shí)驗(yàn)分析

3.1設(shè)備調(diào)試

超聲波儀器是否有損壞，將超聲波儀器安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，并對(duì)超聲波儀器進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)，直至超聲波儀器下方的箭頭指向風(fēng)源方向，將超聲波儀器放置于地鐵環(huán)境中通過一根長線纜連接到電腦上接收所測數(shù)據(jù)，如3所示。

3.2數(shù)據(jù)采集

內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了默認(rèn)設(shè)置，但是由于工程使用環(huán)境的不同，默認(rèn)設(shè)置不一定滿足實(shí)際的使用要求，為此需要通過傳感器自帶的參數(shù)設(shè)置軟件將傳感器設(shè)置成為滿足系留氣球使用要求的數(shù)據(jù)格式。接口通訊格式按照8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗(yàn)位、1位結(jié)束位，傳輸速率為38400bps來設(shè)置。

3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)需要對(duì)地鐵環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)向、WXT520超聲波儀器氣象儀的傾斜角度進(jìn)行調(diào)整，風(fēng)速設(shè)置6m/s，16m/s，25m/s，風(fēng)向的角度分別為0°，30°，60°，90°，傾角分為前傾（+）、后傾（-）、右傾（+）、左傾（-）四個(gè)方向，角度分別為-20°，-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°，20°，并且對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的工作量比較大、數(shù)據(jù)繁多，在此只對(duì)幾種典型情況的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1）風(fēng)速5m/s，風(fēng)向0°，后傾角30°的條件下，測得的部分風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，風(fēng)速的均值為4.918 m/s，風(fēng)向的均值為0.010733°，風(fēng)速的方差為0.0023，風(fēng)向的方差為1.1386，根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向測量誤差函數(shù)算法可以解算出風(fēng)速5.018 m/s，風(fēng)向-0.0112°，誤差較小，與真實(shí)值比較接近，證明超聲波儀器測得數(shù)據(jù)精確。

2）風(fēng)速15m/s，風(fēng)向30°，前傾角30°的條件下，測得的部分風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)如表2所示。風(fēng)速的均值為15.044m/s，風(fēng)向的均值為60.477°風(fēng)速的方差為0.0117，風(fēng)向的方差為0.0565，根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向測量誤差函數(shù)算法可以解算出風(fēng)速15.0118 m/s，與真實(shí)值比較接近，證明超聲波儀器測得數(shù)據(jù)也是精確。

3）風(fēng)速25m/s，風(fēng)向30°，前傾角30。的條件下，測得的部分風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)如表3所示。風(fēng)速的均值為25.086m/s，風(fēng)向的均值為10.094°風(fēng)速的方差為0.0106，風(fēng)向的方差為0.0678，根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向測量誤差函數(shù)算法可以解算出風(fēng)速25.0239m/s，與真實(shí)值比較接近，證明超聲波儀器測得數(shù)據(jù)也是精確的。

4）風(fēng)速25m/s，風(fēng)向60°，后傾角60°的條件下，測得的部分風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)如表3所示。風(fēng)速的均值為25.066m/s，風(fēng)向的均值為30.234°風(fēng)速的方差為0.0385，風(fēng)向的方差為0.0338，根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向測量誤差函數(shù)算法可以解算出風(fēng)速25.0122 m/s，與真實(shí)值比較接近，證明超聲波儀器測得數(shù)據(jù)也是精確的。

超聲波測風(fēng)儀，有別于傳統(tǒng)易損壞的風(fēng)杯/風(fēng)向標(biāo)/螺旋槳風(fēng)速風(fēng)向傳感器，超聲波測風(fēng)儀外形無迎風(fēng)面，將風(fēng)速風(fēng)向整合為一，可有效降低陣風(fēng)及切片風(fēng)對(duì)機(jī)身的作用。對(duì)陣風(fēng)、切片風(fēng)等反應(yīng)迅速準(zhǔn)確，并且其內(nèi)部自帶的加熱裝置可以在嚴(yán)冬下保證儀器正常工作無需人工定期維護(hù)，適用于陸地和海洋環(huán)境等特殊情況；由于它很好地克服了機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向傳感器固有的缺陷，因而能全天候地、長久地正常工作，越來越廣泛地得到使用。

4結(jié)論分析

超聲波測風(fēng)儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試結(jié)果和真實(shí)值是基本一致的，結(jié)果表明超聲波傳感器是一種較為先進(jìn)的測量風(fēng)速風(fēng)向的儀器，能夠滿足氣象阻尼系數(shù)，保證地鐵軌道旁這種復(fù)雜環(huán)境條件下風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。