一种同步差分风速传感器的制作方法

本发明属于微气象监测技术领域，更具体地，涉及一种同步差分风速传感器。

背景技术：

在风速测量方面，目前常用的风速监测传感器主要有叶轮式、压差式、热球式和超声波式风速传感器。压差式和热球式风速传感器在户外使用极易受到环境影响，一般应用在室内。叶轮式传感器长时间运行易磨损并且在冰冻恶劣天气条件下测量不准确。超声波式风速传感器的工作原理主要采用一发一收，在恶劣天气环境下声波在传播路径上容易受到雨水或沙尘的干扰形成衰减、反射，影响测量结果的准确性。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种同步差分风速传感器，其目的在于解决现有风速传感器在极端恶劣环境下测量结果准确性低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种同步差分风速传感器，包括换能器组，推挽模块，信号处理模块，高速同步采样模块，同步差分控制模块以及通信接口；

其中，换能器组的输入接口与推挽模块第一端相连，信号处理模块的第一端与换能器组的输出接口相连，高速同步采样模块的第一端与信号处理模块的第二端相连，同步差分控制模块的第一端与信号处理模块的第三端相连，同步差分控制控制模块的第二端与高速同步采样模块的第二端相连；推挽模块的第二端与控制模块的第三端相连；通信接口与控制模块的第四端相连；

其中，推挽模块用于在同步差分控制模块的控制下生成脉冲控制信号；换能器组用于在推挽模块输出的脉冲控制信号的作用下发送与接收测量声波；

信号处理模块用于对换能器组输出的脉冲电压信号进行滤波放大与限幅处理；

高速同步采样模块用于采集信号处理模块输出的脉冲电平信号；

同步差分控制模块用于根据高速同步采样模块输出的电压幅值数字信号和信号处理模块输出的脉冲电平模拟信号进行并行中断检测，并根据检测到的信号时差生成用于控制推挽模块的电平驱动信号；并根据多种多路信号时差，计算风速值；通信接口用于将风速值计算结果发送到终端设备。

优选的，上述同步差分风速传感器，其换能器组包括3个大波束角超声波换能器和1个无方向性柱形超声波换能器；其中，3个大波束角超声波换能器分别设于一平面等边三角形的3个顶点处，1个无方向性柱形超声波换能器设于上述等边三角形的中心位置处。

优选的，上述同步差分风速传感器，大波束角超声波换能器的波束角均大于120°，其中任意一个大波束角超声波换能器的波束角能够覆盖其它两个大波束角超声波换能器；无方向性柱形超声波换能器可以360°收发大波束角超声波换能器发射的声波。

优选的，上述同步差分风速传感器，信号处理模块包括4组并列的信号处理电路，推挽模块包括并列的4组d类推挽电路；换能器组的4个超声波换能器的输入端通过换能器组的输入接口与4组d类推挽电路一一对应地相连，换能器组的4个超声波换能器的输出端通过换能器组的输出接口分别与4组信号处理电路一一对应地相连；

信号处理电路的数量、d类推挽电路的数量与换能器组所包括的超声波换能器的数量相匹配；其中，换能器组所包括的超声波换能器包括大波束角超声波换能器和无方向性柱形超声波换能器。

优选的，上述同步差分风速传感器，其同步差分控制模块对推挽模块的各组d类推挽电路同步差分发送电平驱动信号，对信号处理模块的输出信号及高速同步采样模块的输出信号同步差分接收；

其中，同步差分发送是指同一时刻调制2组d类推挽电路驱动各自连接的大波束角超声波换能器与无方向性柱形超声波换能器,由1个处于不同位置的大波束角超声波换能器与无方向性柱形超声波换能器同一时刻发送测量声波；

其中，同步差分接收是指同步差分控制模块接收高速同步采样模块同一时刻采集多路超声波换能器转换的电压信号、以及多组信号处理电路输出的脉冲电平信号；差分接收是指由3个处于不同位置的大波束角超声波换能器与无方向性柱形超声波换能器同时刻接收测量声波，其中的3个为处于平面等边三角形的顶点处的大波束角超声波换能器，1个为处于上述等边三角形的中心位置处的无方向性柱形超声波换能器。

优选的，上述同步差分风速传感器，其信号处理电路包括依次连接的限幅电路、运放放大电路、运放滤波电路、对数放大器和电平比较电路；

其中，限幅电路用于将输入的脉冲电压信号通过电容隔离直流电平后进行限幅，利用硅二极管的死区电压将输入电压限位到预设值；

运放放大电路用于将脉冲电压信号放大；

运放滤波电路用于对脉冲电压信号进行有源滤波处理；

对数放大器用于对接收到的信号进行电平限幅压缩处理；其输出信号分为两路，一路发送到高速同步采样模块，另一路发送到电平比较电路；

电平比较电路用于对接收到的信号进行电平边沿检测，生成与输入信号同时长的高电平脉冲。

优选的，上述同步差分风速传感器，通过同步差分控制模块对高速同步采样模块进行通信控制，并根据检测到的信号时差生成用于控制推挽模块的电平驱动信号；并根据多种多路信号时差，计算风速值；

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的同步差分风速传感器，其换能器组具有多路发送和接收测量声波的传播路径，并由硬件同步差分控制模块电路构成同步采样和同步发送电路；基于其硬件结构，测1次风速值需3组测量数据；1组测量数据对应生成8个风速值，这8个风速值由5个声波传输路径生成，若其中任意一传输路径受到外物影响声波传输时间，在本发明的这种设计中，可通过其他路径值对比确认发现；由此实现在源头上确定测量声波信号在传播路径上的差异，就可以准确确定异常干扰的声波信号；

(2)由于超声波在传播过程中遇到雨水、沙尘暴、冰雪会产生反射、折射、衍射、散射等现象，从而导致超声波换能器接收转换的电压信号弱、信号干扰脉冲、或者会产生混叠；本发明提供的同步差分风速传感器，由于可获取的声波传输路径数据样本数量多、样本结果可重复、可对比、可推导，因此极端恶劣环境下测量采集的结果可信度高，测量结果准确性更高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的同步差分风速传感器的原理示意图；

图2是本发明实施例提供的换能器组的示意图；

图3是本发明实施例提供的同步差分风速传感器的d类推挽电路示意图；

图4是本发明实施例提供的同步差分风速传感器的信号处理电路示意图；

图5是本发明实施例提供的同步差分风速传感器的控制与接收逻辑示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一大波束角超声波换能器、2-第二大波束角超声波换能器、3-第三大波束角超声波换能器、4-无方向性柱形超声波换能器、5-同步差分控制模块、6-推挽模块、7-信号处理模块、8-高速同步采样模块、17-超声波换能器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例提供的同步差分风速传感器，其系统如图1所示，包括换能器组，推挽模块，信号处理模块，高速同步采样模块，同步差分控制模块以及rs485接口；

其中，换能器组的输入接口与推挽模块第一端相连，信号处理模块的第一端与换能器组的输出接口相连，高速同步采样模块的第一端与信号处理模块的第二端相连，同步差分控制模块的第一端与信号处理模块的第三端相连，同步差分控制控制模块的第二端与高速同步采样模块的第二端相连；推挽模块的第二端与控制模块的第三端相连；rs485接口与控制模块的第四端相连。

本实施例中，换能器组包括4个超声波换能器，分别是3个大波束角超声波换能器和1个无方向性柱形超声波换能器；信号处理模块包括4组并列的信号处理电路，推挽模块包括并列的4组d类推挽电路；换能器组的4个超声波换能器的输入端通过换能器组的输入接口与4组d类推挽电路一一对应地相连，换能器组的4个超声波换能器的输出端通过换能器组的输出接口分别与4组信号处理电路一一对应地相连；同步差分控制模块采用fpga实现。

图2是本发明实施例提供的换能器组的示意图；换能器组中，第一大波束角超声波换能器1、第二大波束角超声波换能器2、第三大波束角超声波换能器3分别设于一平面等边三角形的3个顶点处；无方向性柱形超声波换能器4设于上述等边三角形的中心位置处。

3个大波束角超声波换能器的波束角均大于120°，其中任意一个大波束角超声波换能器的波束角能够覆盖其它两个大波束角超声波换能器；譬如图2中所示的：第一大波束角超声波换能器1发出的声波的覆盖范围可超过边长9、10的范围；无方向性柱形超声波换能器4可以360°收发3个大波束角超声波换能器发射的声波。

换能器组所包括的3个大波束角超声波换能器和1个无方向性柱形超声波换能器都具备发送和接收超声波的功能；譬如：第一大波束角超声波换能器1与无方向性柱形超声波换能器4发送测量声波，超声波换能器1、2、3、4接收测量声波；工作时，每测量一次风速，由第一大波束角超声波换能器1、第二大波束角超声波换能器2、第三大波束角超声波换能器3中的一个轮流与无方向性柱形超声波换能器4同步发送；收发6次获得24组数据。

3个大波束角超声波换能器和1个无方向性柱形超声波换能器在各自连接的d类推挽电路的脉冲控制信号作用下发送测量声波，并接收所发送的测量声波；超声波换能器组转换成电压信号输出到各自连接的信号处理电路；信号处理电路对接送到的电压信号进行放大滤波处理，输出信号一分为二，其中一路输出到同步差分控制模块进行并行中断检测，另一路输出到高速同步采样模块进行并行电压检测；同步差分控制模块生成d类推挽电路控制信号，同步差分控制模块根据接收的信号处理计算得到风速值，通过rs485接口发送出去。

在本实施例中，同步差分控制模块对推挽模块的d类推挽电路的控制方式为同步差分发送，同步差分接收；可调制4组互补信号输出到d类推挽电路；同步差分发送具体为：同步是指同一时刻调制2路d类推挽电路驱动各自连接的大波束角超声波换能器或无方向性柱形超声波换能器；差分发送是指由1个处于不同位置的大波束角超声波换能器与无方向性柱形超声波换能器同一时刻发送测量声波。

同步差分接收具体为：其中的同步是指同步差分控制模块控制接收高速同步采样模块同一时刻采集多路超声波转换的电压信号，差分接收是指由4个处于不同位置的大波束角超声波换能器与无方向性柱形超声波换能器同时刻接收测量声波，其中的3个为处于平面等边三角形的顶点处的大波束角超声波换能器，1个为处于上述等边三角形的中心位置处的无方向性柱形超声波换能器。

本实施例中，d类推挽电路如图3所示，包括第一电阻r1，第二电阻r2，第一三极管q1，第二三极管q2，变压器t1，第一电容c19，超声波换能器17，高频电感l1和第二电容c2；

同步差分控制模块输出高低互补的ttl电平v1、v2到d类推挽电路电平v1经第一三极管q2电平放大、电平v2经第二三极管q2放大，放大后的电平推动变压器，变压器输出电压到电容c19，电容c19连接超声波换能器17；由高频电感l1和c2构成阻抗匹配电路以提高发射功率因数；匹配电路并联在超声波换能器两端，超声波换能器的正极与信号处理电路相连。

本实施例中，信号处理电路如图4所示，包括依次连接的限幅电路、运放放大电路、运放滤波电路、对数放大器和电平比较电路；限幅电路中，通过电容隔离直流电平连接到限流电阻到二极管，二极管将输入电压限位到预设值0.7v；运放放大电路用于将信号放大，放大的信号通过运放滤波电路发送到对数放大器，对数放大器用于将信号压缩并输出，其输出信号分为两路，一路发送到高速同步采样模块，另一路发送到电平比较电路。本实施例中，高速同步采样模块通过同步差分控制模块进行通信控制；信号处理电路的电平比较电路的输出信号发送到同步差分控制模块进行并行中断检测。

图5所示，是实施例中的同步差分控制模块完成一组风速测量控制与接收逻辑示意图；本实施例中，通过下式获取风速：

vw＝d/2×(1/ct1-1/ct2)；

其中，vw是指风速，d是指测量声波传输路径距离，ct1是指测量声波顺风传送时间，ct2是指测量声波逆风传送时间。

理想情况下，测量声波顺风传送时间ct1＝t1+t2+t3/2；

t3＝t1+t2，t1＝t4，t3＝t2+t4；

在1组测量中：

t1是指3个大波束角超声波换能器第1次接收声波时间；

t2是指2个大波束角超声波换能器从第1次接收时间到第2次接收声波时间；

t3是指2个大波束角超声波换能大波束角超声波换能器第2次接收声波时间；

t4是指1个中心点超声波换能器接收声波时间；

由于风速传输路径是有方向有大小的，会影响声波传输时间和方向；恶劣天气环境里测量声波传输路径受到的衰减、反射的影响，测量中通过提高测量频次、测量方位，加入夹角计算等手段来补偿。测量中，3个大波束角超声波换能器1、2、3轮流与无方向性柱形超声波换能器4同步双向收发，采用同步差分发送和同步差分接收获得24个数据。根据这24个数据测算得到风速角度，加入角度数据反算∠t1、∠t2、∠t3的传播时间，即可推算风速值；在测算中，若上述24个数值中的任意一个出现异常，则可对其进行反向推导，所以在声波传播路径上产生的随机干扰信号不会影响最终计算结果的准确度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。