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研究生:郭玫琪
論文名稱:新穎的可調式數位及類比風速計之研究
論文名稱(外文):Study of a Novel Adjustable Digital and Analog Anemometer
指導教授:沈志雄沈志雄引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:風速計熱絲工作溫度輸出電壓功率消耗雜訊靈敏度Delta Sigma
外文關鍵詞:anemometerhot-wireworking temperatureoutput voltagepower consumptionnoise ratiosensitivityDelta Sigma
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  本文在於研究熱絲式風速計於不同之操作模式下之特性分析。其中使用了橋式電路來維持等溫模式,設定熱絲在不同工作溫度,來得到在風速1m/s~7m/s下之輸出電壓值。藉由電壓值,計算出各個工作溫度在不同風速下之熱消耗功率、雜訊與靈敏度。藉由實驗結果驗證風速計之King’s Law關係式,其中低風速所產生之誤差較大,高風速下較接近理想之方程式所描述,經由修正將可以進一步建構更為正確之數學模型。
  除此之外,我們更進一步改進原本的類比電路來建構數位的Delta Sigma調變作控制,並量測其在不同工作溫度及風速下之輸出電壓,更進一步計算其功率消耗,並在我們量測結果下估算風速與量測誤差。後續我們藉由改良程式降低量測之誤差值,分析風速計之King’s Law關係式,我們進一步改良最初之程式以達到較快速的回授,分析兩架構的結果。

  The research is about the characteristic analysis of the hot-wire anemometer with different operative mode. We use the sensing bridge circuit to maintain the constant temperature mode. And set the different working temperature of the hot-wire to get the output voltages under the wind speed 1m/s to 7m/s. According voltage values, we calculate the power consumptions. noise ratios and sensitivities under different working temperatures and wind speeds. The result is analyzed by the King’s Law which the anemometer should follow. The high wind speed is closer to the ideal function. Then it is necessary to build more correct mathematic model.
  Furthermore, we change the original analog circuit to the digital one and use Delta Sigma modulation to control it. Then we measure the output voltages under different working temperatures and wind speeds, and calculate the power consumptions. According to the measurement results, we estimate the wind speeds and the errors. We improve the program to get down the errors of the measurement, the possibility may be according to the program, the circuit can’t attend the immediately feedback. We improve the first program to attend quicker feedback, and compare the differences between quicker feedback and slower feedback.

目錄
第一章 緒論
1-1 研究背景與動機                1
1-2 研究的目的與方法               3
1-3 本文架構                   4
第二章 風速計原理與△Σ調變之介紹
2-1 風速計簡介與原理
2-1-1 風杯式風速計             5
2-1-2 風葉式風速計             7
2-1-3 雷射都卜勒風速計           8
2-1-4 聲風速計               9
2-1-5 乒乓球風速計            11
2-1-6 壓板風速計             11
2-1-7 壓力管風速計            12
2-2 熱絲式風速計介紹及其等溫架構與橋式電路原理 14
2-3 △Σ之簡介與原理              
2-3-1 類比數位轉換器(ADC)        19
2-3-2 數位類比轉換器(DAC)        21
2-3-3 和Δ調變之關係           21
2-3-4 △Σ調變之原理           24
2-3-5 量化理論公式            24
2-3-6 過取樣              25
第三章 風速計之設計與量測
3-1 風速量測之實驗配備             28
3-2 等溫電路之風速量測             28
3-3 △Σ調變之等溫電路
3-3-1 △Σ調變之等溫電路程式設計(Ⅰ)    32
3-3-2 △Σ調變之等溫電路程式設計(Ⅱ)    35
第四章 風速計量測結果與分析
4-1 等溫電路實驗                38
4-2 等溫電路量測與分析結果           38
4-3 △Σ等溫電路量測與分析結果
4-3-1 △Σ等溫電路量測與分析結果(Ⅰ)     44
4-3-2 △Σ等溫電路量測與分析結果(Ⅱ)    49
4-3-3 △Σ等溫電路量測與分析結果(Ⅲ)    55
第五章 結論與未來發展方向
5-1 結論                    59
5-2 未來展望                  60

表目錄
表 3-1 風扇調整器的風速和頻率對照表 (熱絲之電阻為1KΩ) 30
表4-1 熱絲電阻值與其工作溫度之對應表          38
表 4-2 根據King’s Law,在不同電阻值下之K0 與K1之值,周遭環境溫度為28°C                      42
表 4-3 架構一的84.7°C下之風速估算與量測誤差     46
表 4-4 架構一的66.7°C下之風速估算與量測誤差      46
表 4-5 架構一的53.29°C下之風速估算與量測誤差      47
表 4-6 架構一的42.72°C下之風速估算與量測誤差      47
表 4-7 架構一的34.61°C下之風速估算與量測誤差      48
表 4-8 架構一的26.25°C下之風速估算與量測誤差      48
表4-9 架構一的各工作溫度之風速量測誤差最大與最小值比較49
表 4-10 架構二的84.7°C下之風速估算與量測誤差      51
表 4-11 架構二的66.7°C下之風速估算與量測誤差      51
表 4-12 架構二的53.29°C下之風速估算與量測誤差      52
表 4-13 架構二的42.72°C下之風速估算與量測誤差      52
表 4-14 架構二的34.61°C下之風速估算與量測誤差      53
表 4-15 架構二的26.25°C下之風速估算與量測誤差      53
表 4-16 架構二的各工作溫度之風速量測誤差最大與最小值比較54
表4-17 架構二的程式與架構一程式之誤差值比較      54
表4-18 三筆資料作總和之風速估算與量測誤差       56
表4-19 五筆資料作總和之風速估算與量測誤差       56
表4-20 三筆作總和程式與五筆作總和之誤差值比較     57
表4-21 三筆作總和程式與五筆作總和之回授時間與實驗量測時間比較 57

圖目錄
圖1-1 CMOS風速計之外觀圖式               2
圖1-2 熱對流加速計的顯微照片               3
圖2-1 1846年由Armagh天文台的John Thomas Romney Robinson 博士發明的風杯式風速計                  6
圖2-2 有垂直軸的風杯式風速計,感測器的遙控氣象觀測站部署在華盛頓的Skagit Bay,2009年的七月到八月。         7
圖2-3 風葉式風速計                    8
圖2-4 雷射風速計的製圖                  9
圖2-5 迴轉式的平行風速計加上一個旋轉風向標       13
圖2-6 Wheatstone電橋之圖示               15
圖2-7 風速測量實驗中之等溫橋式電路 17
圖2-8 一階△Σ調變器的方塊圖                19
圖2-9 二階△Σ調變器的方塊圖                21
圖2-10 △Σ由△調變演化而來               22
圖2-11 SDM在一段sine波內使用100個樣本之範例      23
圖2-12 △Σ調換器中的雜訊取樣曲線和雜訊波段       26
圖3-1 風速量測之實驗設備                28
圖3-2 風速測量實驗中之等溫橋式電路           29
圖3-3 △Σ調變之等溫電路方塊圖              30
圖3-4 △Σ調變之等溫電路示意圖               31
圖3-5 架構一的△Σ調變之等溫電路程式設計流程圖      33
圖3-6 架構一的△Σ調變之等溫電路Labview程式     34
圖3-7 架構二的△Σ調變之等溫電路程式設計流程圖      36
圖3-8 架構二的△Σ調變之等溫電路Labview程式     37
圖4-1 不同工作溫度下之風速與輸出電壓關係圖        39
圖4-2 不同工作溫度下之風速與功率消耗關係圖       39
圖4-3 不同工作溫度下之風速與雜訊值           40
圖4-4 不同工作溫度下之功率消耗與靈敏度關係圖      41
圖4-5 不同工作溫度使用架構一△Σ等溫橋式電路之風速與輸出電壓關係圖                         44
圖4-6 架構一的不同工作溫度下使用△Σ等溫橋式之風速與功率消耗關係圖                         45
圖4-7 架構二的不同工作溫度下之風速與輸出電壓關係圖 49
圖4-8 架構二的不同工作溫度下之風速與功率消耗關係圖   50
圖4-9 三筆與五筆資料作總和程式之風速與輸出電壓關係圖  55
圖4-10 三筆與五筆資料作總和程式之風速與功率關係圖    55

[1]http://www.dgtn17.com/news/?1037.html泰納儀器網
[2]K.A.A. Makinwa and J.H. Huijsing, “A Smart Wind Sensor using Time-Multiplexed Thermal Modulators”
[3]O. Leman, F. Mailly, L. Latorre, P. Nouet, “A wide-bandwidth, wide dynamic-range thermal ΣΔ architecture for convective accelerometers”
[4]http://en.wikipedia.org/wiki/Anemometer Wikipedia 風速計
[5]http://go17358.com/product.php?pid=4497&cateno=0&ky=%E9%A2%A8%E9%80%9F%E8%A8%88 GO17538
[6]http://tw.myblog.yahoo.com/jw!qHSzqWWLERnuTyDhgFL.fUHEzFkxpRiDj7IFsR.t8y8rKg--/article?mid=30 元彩太工作室
[7]http://www.chinabaike.com/z/yiqi/2011/0413/803327.html中國百科網
[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Bridge_circuit Wikipedia 橋式電路
[9]http://www.efunda.com/designstandards/sensors/hot_wires/hot_wires_theory.cfm eFunda: Theory of Hot-Wire Anemometers
[10]http://en.wikipedia.org/wiki/Delta-sigma_modulation Wikipedia Delta-sigma調變
[11]逢甲大學 林銘信 「應用於數位音訊傳輸之無線收發機設計與製作」
[12]B. van Oudheusden and J.H. Huijsing, “An electronic wind-meter based on a silicon flow sensor”
[13]K.A.A. Makinwa and J.H. Huijsing, “A wind-sensor interface using thermal sigma-delta modulation techniques”
[14]O. Leman, F. Mailly, L. Latorre, P. Nouet, “ A Comparative Study of Conditioning Architectures for Convective Accelerometers”
[15]Fukang Jiang, Yu-Chong Tai, Chih-Ming Ho, Rainer Karan, Michael Garstenauer, “Theoretical And Experimental Studies Of Micromachined Hot-Wire Anemometers”
[16] Thales Alenia Space ETCA “Using Σ-Δ techniques in digitally controlled power supplies”
[17]Kamala Hariharan, Shoba Krishnan, Susan Luschas, “A Delta-Sigma based DC to DC Converter - A Design Space Exploration”
[18] Shahrukh Athar, “Design & Implementation of an Adaptive Delta Sigma Modulator”
[19]Pervez M. Aziz , Henrik V. Sorensen , Jan Van der Spiegel, “An Overview of Sigma-Delta Converters:How a 1-bit ADC achieves more than 16-bit resolution”
[20]Takis Zoumtos and David A. Johns, “STABLE ONE-BIT DELTA-SIGMA MODULATORS BASED ON SWITCHING CONTROL”
[21]黃文強「淺談Delta Sigma之工作原理」

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