一种超声波二维风向风速传感器的制作方法

本实用新型涉及一种非接触式超声波测量平面风向风速装置，尤其是能够同时以高精度、宽量程测量瞬时平面内的风向和风速值的超声波二维风向风速传感器。

背景技术：

风向风速测量是气象、农业和工业领域需要测量的重要参数之一，目前，测量风向风速的方式主要是机械式测量，其存在需要启动风速大、机械磨损大、瞬时风速具有惯性误差等弊端，导致其对低于启动风速的较小风速无法测量、测量数据也难以体现出风速的变化。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本实用新型提供一种超声波二维风向风速传感器，其可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，并具有更高的分辨率和更低的误差率。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

一种超声波二维风向风速传感器，其包括：

一个传感器主体；

探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；

第一对超声探头，包括第一超声探头和第二超声探头，二者设于探头连接杆的自由端，并在测量平面上的第一测量方向正对设置；以及

第二对超声探头，包括第三超声探头和第四超声探头，二者设于探头连接杆的自由端，并在所述测量平面上的第二测量方向正对设置，第二测量方向与第一测量方向具有预定夹角α。

通过探头连接杆的设置，使得超声探头处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。

实施时，可以先利用第一超声探头接收第二超声探头发射的超声波，再利用第二超声探头接收第一超声探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第一测量方向的参数；第三超声探头接收第四超声探头发射的超声波，第四超声探头接收第三超声探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第二测量方向的参数；结合第一测量方向、第二测量方向的参数得到瞬时风向风速。

本实用新型的一个实施例中，探头连接杆为四个，分别连接于传感器主体。

本实用新型的一个实施例中，探头连接杆与传感器主体的连接处设置有防水胶圈。

本实用新型的一个实施例中，探头连接杆整体呈C型。

较佳的，探头连接杆具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于传感器主体，超声探头连接于第四延伸段。

其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°。

本实用新型的一个实施例中，预定夹角α的角度为90°，借以简化计算，提高处理速度，提高监测频率。

本实用新型的一个实施例中，传感器主体设有：

脉冲发射模块，与超声探头连接；

回波接收模块，与超声探头连接；

核心处理单元，与脉冲发射模块和回波接收模块连接；

稳压模块，连接于输入供电端与核心处理单元和脉冲发射模块之间，其中设有π型滤波；以及

数字数据输出模块，与核心处理单元连接提供输出信号。

本实用新型的一个实施例中，传感器主体对超声探头的脉冲驱动结构包括：

核心处理器，用以同步产生互补型PWM输出脉冲；

多路切换开关，连接核心处理器，提供第一路的输出互补脉冲方波A和第二路的输出互补脉冲方波B，用以通过多个固定频率的方波脉冲信号来分时驱动四路超声波探头；

第一开关MOS管Q3，设于第一路；

第二开关MOS管Q6，设于第二路；

H桥电路，由第一功率MOS管Q1、第二功率MOS管Q2、第三功率MOS管Q4、第四功率MOS管Q5构成；以及

脉冲升压变压器T1，超声波脉冲驱动脉冲串经H桥电路驱动电流至初级线圈端，在初级线圈端产生正向电流，耦合的次级线圈产生反向高压脉冲，通过极间的激励驱动超声波传感器探头。

较佳的，脉冲驱动结构还包括：

第一功率MOS管Q1、第二功率MOS管Q2、第三功率MOS管Q4、第四功率MOS管Q5内嵌续流保护二极管；

下拉保护电阻R5，连接第一开关MOS管Q3，以强制拉低驱动电平来关闭H桥电路，防止脉冲升压变压器T1常态导通而烧坏；

下拉保护电阻R8，连接第二开关MOS管Q6；

谐振电容C4，与脉冲升压变压器T1的次级线圈、超声波探头T2构成并联LC谐振回路，脉冲升压变压器T1的次级线圈作为电感，抵制其容抗变为纯阻抗负载，使超声波探头T2的功率达到最大；

限流电阻R4，设于多路切换开关与第一开关MOS管Q3之间；和/或

限流电阻R7，设于多路切换开关与第二开关MOS管Q6之间。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果是：本实用新型的超声波二维风向风速传感器，由于其是采用的超声波测量，相较现有技术而言，其可以计算的启动风速最小为0m/s，即零启动风速，能够更宽范围、高精度、低误差地测量平面风向风速；通过探头连接杆的设置，使得超声探头处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。其电路结构简单、运行稳定、效率高、监测频率宽。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例的电路系统原理图；

图3为本实用新型一个实施例中的脉冲驱动结构示意图；

图4为本实用新型一个实施例的操作流程示意图；

图5为本实用新型一个实施例的分时测量工作时序示意图；

图6为本实用新型一个实施例的分时测量时间轴示意图。

【附图标记说明】

1：西向超声探头；

2：东向超声探头；

3：北向超声探头；

4：南向超声探头；

5：防水胶圈；

6：顶盖；

7：标识；

8：探头连接杆；

9：底座；

10：固定支架。

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。

本实用新型一个实施例的超声波二维风向风速传感器，其包括：

一个传感器主体；

探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；

第一对超声探头，包括第一超声探头和第二超声探头，二者设于探头连接杆的自由端，并在测量平面上的第一测量方向正对设置；以及

第二对超声探头，包括第三超声探头和第四超声探头，二者设于探头连接杆的自由端，并在所述测量平面上的第二测量方向正对设置，第二测量方向与第一测量方向具有预定夹角α。

通过探头连接杆的设置，使得超声探头处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。

如图1所示，第一对超声探头，包括西向超声探头和东向超声探头，二者在测量平面上的东西方向正对设置；第二对超声探头，包括北向超声探头和南向超声探头，二者在所述测量平面上的南北方向正对设置。通过将两组超声探头设于东西、南北方向，即两两正向对射，且两组探头组成的交叉线在所属平面内正交垂直，以便数据能被准确测量，且可以简化计算，提高处理速度，提高监测频率。

其中，探头连接杆可以是一个或多个，例如可以是具有四个自由端的一个探头连接杆，也可以是多个探头连接杆共设置有四个自由端，例如，设置四个探头连接杆，每个超声探头通过一个探头连接杆连接于传感器主体。借此，可以简化结构，便于生产，而且，更有利于降低对风的干扰，得以提高测量结果的准确性。

其中，探头连接杆整体呈C型，借此可以使超声探头设于传感器主体的上方，使得整体结构紧凑，占用空间小，同时，尤其能够更进一步地降低对风的干扰，减少误差。

较佳的，探头连接杆具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于传感器主体，超声探头连接于第四延伸段。各弯折段可以为圆滑过渡，借以更进一步降低对风的干扰，得以提高测量结果的准确性。

其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°，借以更进一步降低对风的干扰，得以提高测量结果的准确性。

较佳的，第一对探头之间的距离与第二对探头之间的距离相同。

其中，传感器主体的外壳包括：

顶盖，设于传感器主体的第一侧，其上设有安装方向标识(例如朝北的箭头)，以便于安装实施；

底座，设于传感器主体相反于顶盖的一侧，用于固定主电路板和(四个)探头连接杆；

侧壁，连接于顶盖和底座之间，探头连接杆穿过侧壁由传感器主体内部延伸出来；

防水胶圈和隔离层，设于探头连接杆与传感器主体的连接处，并将探头连接杆和底座的接触点密封；以及

固定支架，连接于底座一侧，在安装时用于固定，还可以在底部安装高强度防水耐高温航空插头，以便于外部接线测量。

上述结构的设置，使得传感器主体的外形简洁、结构紧凑，可以最大限度地降低对风的干扰，得以提高测量结果的准确性。

传感器主体的外壳可以采用高强度的耐腐蚀材料制成。

其中，传感器主体中的电路结构包括：

脉冲发射模块，与超声探头连接；

回波接收模块，与超声探头连接；

核心处理单元，与脉冲发射模块和回波接收模块连接；

稳压模块，连接于输入供电端与核心处理单元和脉冲发射模块之间，其中设有π型滤波；以及

数字数据输出模块，与核心处理单元连接提供输出信号。

其中，核心处理单元包括单片机、晶振电路、电源滤波电路、接口电压转换电路、脉冲发射电路和回波接收处理电路，以及单轴超声波探头部分。

具体的，传感器主体对超声探头的脉冲驱动结构包括：核心处理器MCU、多路切换开关MUX、输出互补脉冲方波PWM_A、上拉电阻R3、开关MOS管Q3、限流电阻R1、储能电容C1、储能电容C2、限流电阻R2、限流电阻R4、下拉保护电阻R5、功率MOS管Q1、功率MOS管Q2、脉冲升压变压器T1、保护二极管D1、保护二极管D2、驱动脉冲PULSE_B、上拉电阻R6、过冲保护电容C3、功率MOS管Q4、输出互补脉冲方波PWM_B、限流电阻R7、下拉保护电阻R8、开关MOS管Q6、功率MOS管Q5、驱动脉冲PULSE_A、谐振电容C4、超声波探头T2。

其中，核心处理器MCU，通过内部程序控制，同步产生互补型PWM输出脉冲，例如输出等幅方波信号，再经过多路切换开关MUX进行多通道驱动，例如提供第一路的输出互补脉冲方波A和第二路的输出互补脉冲方波B，用以分时驱动四路超声波探头，脉冲信号可以是多个固定频率的方波，可以通过第一路的第一开关MOS管Q3和第二路的第二开关MOS管Q6缓冲，由第一功率MOS管Q1、第二功率MOS管Q2、第三功率MOS管Q4、第四功率MOS管Q5构成的H桥电路，驱动高频脉冲变压器T1，超声波脉冲驱动脉冲串经H桥电路驱动电流至初级线圈端，在初级线圈端产生正向电流，耦合的次级线圈产生反向高压脉冲，通过极间的激励驱动超声波传感器探头。

较佳的，H桥电路的供电端，通过上拉电阻R3提供稳压后的驱动电压，供脉冲驱动使用。

较佳的，储能电容C1、储能电容C2在脉冲发送瞬间为脉冲变压器提供储能，限流电阻R1和R2在电源端提供限流保护，防止过流导致H桥电路和高频脉冲变压器烧坏。

较佳的，脉冲驱动结构还包括：第一功率MOS管Q1、第二功率MOS管Q2、第三功率MOS管Q4、第四功率MOS管Q5内嵌续流保护二极管，借以稳定驱动高频脉冲变压器T1。

较佳的，脉冲驱动结构还包括：下拉保护电阻R5，连接第一开关MOS管Q3，当出现异常状态时，下拉保护电阻R5强制将驱动电平拉低，此时H桥电路为关闭状态，防止高频脉冲升压变压器T1常态导通而烧坏。

较佳的，脉冲驱动结构还包括：下拉保护电阻R8，连接第二开关MOS管Q6，当出现异常状态时，下拉保护电阻R8强制将驱动电平拉低，此时H桥电路为关闭状态，防止高频脉冲升压变压器T1常态导通而烧坏。

其中，高频脉冲变压器的初级线圈和次级线圈变比可以为1:50，当超声波驱动脉冲串经H桥驱动电流至T1的初级线圈端，在T1初级线圈端产生正向电流，脉冲变压器T1耦合至次级线圈端；此时脉冲变压器T1次级线圈产生反向高压脉冲，通过极间电压的激励驱动超声波传感器探头T2。

借此，可以通过PWM驱动升压电路来改进驱动电压对探头回波的影响。

较佳的，脉冲驱动结构还包括：谐振电容C4，与脉冲升压变压器T1的次级线圈、超声波探头T2构成并联LC谐振回路，脉冲升压变压器T1的次级线圈作为电感，抵制其容抗变为纯阻抗负载，使超声波探头T2的功率达到最大。

较佳的，脉冲驱动结构还包括：限流电阻R4，设于多路切换开关与第一开关MOS管Q3之间；和/或限流电阻R7，设于多路切换开关与第二开关MOS管Q6之间。

为了提高测量精度，降低系统误差，可以选用宽量程、低盲区的超声探头，还可以采用高主频电路来改进瞬时平面风向风速测量值，为了提高适应性，让其能够全天候使用，超声探头可以内置加热模块，以防止冰霜雨雪影响正常测量。

实施时，可以采用超声波时差法计算测量平面风速风向，传感器利用对侧探头声波脉冲收发，测量风速对回波时长影响。例如，首先第一超声探头作为发射探头，第二超声探头作为接收探头，进行测量时得到一个时间，然后第二超声探头作为发射探头，第一超声探头作为接收探头得到相对方向上的另一个时间。

设南北(或东西)两超声探头收发的距离为d，顺风传输时间为t₁₂，逆风传输时间为t₂₁，风速为Vw，超声波传播速度为V_S，可得：

化简可得：

即实际应用中，由于超声探头之间的收发距离为固定的，因此，只需测得顺风传输时间和逆风传输时间即可得到风速。

参见图3，本实用新型还提供了超声波二维风向风速传感器的监测方法，其首先开机自检，检测四轴超声探头是否正常，其次检测内部参数存储是否正常，之后将上次保存的设置信息导入到当前状态，开始测量后进入正常工作时序，测量完成后合成有效数据输出。

具体的，包括如下步骤：

S1、开机自检；

S2、参数配置初始化；

S3、开启时基定时器(SYSTICK)；

S4、测量单探头回波时间；

S5、滤波计算风速风向温度数据；

S6、判断是否达到定时输出数据时间，若否，则返回执行步骤S4，若是，则继续执行步骤S7；

S7、DMA串口自动发送数据包。

其中，步骤S4和S5具体包括：

S41、探头单驱动准备；

S42、各探头单次测量；

S51、每次测量数据存入固定数组；

S52、存储测量值的数组中数据整体右移一位；

S53、平均各单轴数组数据，合成计算瞬时风向风速值。

其中，可以参照图4和图5的时序执行四轴探头的测量：

即单个探头轮询测量，结束后将数据整合并输出，每个轮询周期最小为32.15ms。

通过上述方法，本实用新型的超声波二维风向风速传感器可以实时、准确地测得平面风速风向。

综上所述，本实用新型的超声波二维风向风速传感器，由于其是采用的超声波测量，相较现有技术而言，其可以计算的启动风速最小为0m/s，即零启动风速，能够更宽范围、高精度、低误差地测量平面风向风速；通过探头连接杆的设置，使得超声探头处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。其电路结构简单、运行稳定、效率高、监测频率宽。