一种超声波风速风向测量实验仪及测量方法与流程

本发明涉及测量设备领域，具体地讲，涉及一种超声波风速风向测量实验仪及测量方法。
背景技术：
：在风速风向测量方面，当前常用的仪器有翼状风速计、杯状风速计、热敏风速计和超声波测风仪等。翼状风速计和杯状风速计使用方便，但他们的机械摩擦阻力和惰性较大，只适用于测定风速较大的情况，对于一些需要测量较小风速的场合则无法试用；常用的机械式仪器因为存在很多的运动部件，所以均存在结构磨损、使用寿命不长、无法在恶劣环境下使用、维护成本高等缺点，此外，受到机械结构以及机械式测风仪器测量原理的限制，机械测风仪器的灵敏度也较低；热敏式风速仪由于自身测量原理的限制，受到环境温度影响较大，因此其适用场合有限；而现有的超声测风仪器大部分均采用的是基于时间差、频率差、相位差或多普勒效应等测量方法，但是上述测量方法的核心仍是基于绝对时间(或时间差)的测量，因此这一类方法对时间(差)测量电路及相关算法的精度有着极高的要求，此为现有技术的不足之处。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种超声波风速风向测量实验仪及测量方法，有利于实现风速和风向的测定。本发明采用如下技术方案实现发明目的：一种超声波风速风向测量实验仪，包括底座，其特征是：所述底座上侧固定连接函数信号发生器、示波器、超声波发生器一、超声波接收器一、超声波发生器二和超声波接收器二，所述底座上放置有风机，所述超声波发生器一正对所述超声波接收器一，所述超声波发生器二正对所述超声波接收器二。作为对本技术方案的进一步限定，所述超声波发生器一、所述超声波接收器一、所述超声波发生器二和所述超声波接收器二位于同一平面内。作为对本技术方案的进一步限定，所述超声波发生器一与所述超声波接收器一传播路径为lx，所述超声波发生器二与所述超声波接收器二传播路径为ly，所述lx与所述ly正交。一种超声波风速风向测量实验仪的测量方法，包括以下步骤：步骤1：超声波发生器一和超声波发生器二通过一个三通接头同时接入函数信号发生器的信号输出端口，超声波接收器一的接头接入示波器的ch1接口，超声波接收器二的接头接入示波器的ch2接口，用信号线将函数信号发生器的同步信号接头直接接入示波器的外触发接口，按下各仪器开关，函数信号发生器选择正弦波波形，调节输出信号的频率值及振幅值与超声波发生器一、超声波接收器一、超声波发生器二和超声波接收器二的工作频率与振幅相一致，示波器选择外触发模式；步骤2：无风情况下调节超声波发生器一与超声波接收器一的传播路径lx和超声波发生器二与超声波接收器二的传播路径ly相同，此时示波器所显示的ch1与ch2两路信号波形重合，即二者在无风状态下的初相位相同，并记录此时ch1与ch2两路波信号的初始位置；步骤3：由风机施加具有一定速度、一定方向的风，超声波发生器一和超声波接收器一支路的ch1波信号相较于其初始波信号的位置发生变化，即ch1波信号的相位发生变化，在示波器上读取并记录该相位差步骤4：超声波发生器二和超声波接收器二支路的ch2波信号相较于其初始波信号的位置发生变化，即ch2波信号的相位发生变化，在示波器上读取并记录该相位差步骤5：保持风向不变，增大风速，重复上述步骤1至4；步骤6：测量并记录两支路路径长度lx与ly，读取并记录超声波频率f0及风机的位置；步骤7：对数据进行运算的运算过程如下：第一步：以lx支路为例：无风时：式中:v0为超声波声速，超声波发射正方向设定沿lx从超声波发生器一到所述超声波接收器一；tx为无风时超声波信号传播时间；此时，v为总风速；为v的矢量形式；有风时：式中：t'x为有风时lx方向超声波信号传播时间；vx为沿lx方向风速分量，与超声波发射正方向相同时为正，相反时为负；vy为沿ly方向风速分量，与超声波发射正方向相同时为正，相反时为负；此时，式中：δtx为有风与无风lx方向超声波信号传播时间差；δlx＝v0×δtx(式4)式中：δlx为有风与无风lx方向超声波信号声程差；式中：为有风与无风lx方向超声波信号相位差，当接收信号相对于原始信号相位超前时为负，延迟时为正；整理(式5)可得：第二步：同理可得，ly支路：式中：为有风与无风ly方向超声波信号相位差，当接收信号相对于原始信号相位超前时为负，延迟时为正；第三步：联立(式6)和(式7)，求得：式中：第四步：运用勾股定理得总风速：第五步：计算风向：式中：α风速方向与lx正方向夹角，自lx正方向起，逆时针为正；结合vx与vy的正负加以分析即可得到准确的角度α。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：这种测量方法相比较原始的测风速的方法，既避免了测量装置的机械运动，又不依赖于时间(差)测量电路的精度，因此理论上受外界因素影响更小，且是无接触测量手段。在具有一定速度和方向的风的作用下，两支路所接收的超声波信号相比较驱动信号的相位均发生变化，分别观测并记录相应的相位变化值，经过一系列的计算与分析，即可测得任意风的风速与风向。实验仪选用超声波作为声源进行实验，减少了外界其他声波的干扰，同时防止了同频率声音长时间作用引起观测者的身体不适。附图说明图1是本发明的结构示意图。图2是本发明的俯视图。图3是本发明的实验示意图一。图4是本发明的实验示意图二。图5是本发明的实验示意图三。图6是本发明的实验示意图四。图中：1、底座，2、函数信号发生器，3、示波器，4、超声波发生器一，5、超声波接收器一，6、超声波发生器二，7、超声波接收器二，8、风机。具体实施方式下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。如图1-图6所示，本发明包括底座1，所述底座1上侧固定连接函数信号发生器2、示波器3、超声波发生器一4、超声波接收器一5、超声波发生器二6和超声波接收器二7，所述底座1上放置有风机8，所述超声波发生器一4正对所述超声波接收器一5，所述超声波发生器二6正对所述超声波接收器二7。所述超声波发生器一4、所述超声波接收器一5、所述超声波发生器二6和所述超声波接收器二7位于同一平面内。所述超声波发生器一4与所述超声波接收器一5传播路径为lx，所述超声波发生器二6与所述超声波接收器二7传播路径为ly，所述lx与所述ly正交。一种超声波风速风向测量实验仪的测量方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1：超声波发生器一4和超声波发生器二6通过一个三通接头同时接入函数信号发生器2的信号输出端口，超声波接收器一5的接头接入示波器3的ch1接口，超声波接收器二7的接头接入示波器3的ch2接口，用信号线将函数信号发生器2的同步信号接头直接接入示波器3的外触发接口，按下各仪器开关，函数信号发生器2选择正弦波波形，调节输出信号的频率值及振幅值与超声波发生器一4、超声波接收器一5、超声波发生器二6和超声波接收器二7的工作频率与振幅相一致，示波器3选择外触发模式；步骤2：无风情况下调节超声波发生器一4与超声波接收器一5的传播路径lx和超声波发生器二6与超声波接收器二7的传播路径ly相同，此时示波器3所显示的ch1与ch2两路信号波形重合，即二者在无风状态下的初相位相同，并记录此时ch1与ch2两路波信号的初始位置；步骤3：由风机8施加具有一定速度、一定方向的风，超声波发生器一4和超声波接收器一5支路的ch1波信号相较于其初始波信号的位置发生变化，即ch1波信号的相位发生变化，在示波器3上读取并记录该相位差步骤4：超声波发生器二6和超声波接收器二7支路的ch2波信号相较于其初始波信号的位置发生变化，即ch2波信号的相位发生变化，并在示波器3上读取并记录该相位差步骤5：保持风向不变，增大风速，重复上述步骤1至4；步骤6：测量并记录两支路路径长度lx与ly，读取并记录超声波频率f0及风机8的位置；步骤7：对数据进行运算的运算过程如下：第一步：以lx支路为例：无风时：式中:v0为超声波声速，超声波发射正方向设定沿lx从超声波发生器一(4)到所述超声波接收器一(5)；tx为无风时超声波信号传播时间；此时，v为总风速；为v的矢量形式；有风时：式中：t'x为有风时lx方向超声波信号传播时间；vx为沿lx方向风速分量，与超声波发射正方向相同时为正，相反时为负；vy为沿ly方向风速分量，与超声波发射正方向相同时为正，相反时为负；此时，式中：δtx为有风与无风lx方向超声波信号传播时间差；δlx＝v0×δtx(式4)式中：δlx为有风与无风lx方向超声波信号声程差；式中：为有风与无风lx方向超声波信号相位差，当接收信号相对于原始信号相位超前时为负，延迟时为正；整理(式5)可得：第二步：同理可得，ly支路：式中：为有风与无风ly方向超声波信号相位差，当接收信号相对于原始信号相位超前时为负，延迟时为正；第三步：联立(式6)和(式7)，求得：式中：第四步：运用勾股定理得总风速：第五步：计算风向：式中：α风速方向与lx正方向夹角，自lx正方向起，逆时针为正；结合vx与vy的正负加以分析即可得到准确的角度α。本发明的工作流程为：步骤1：超声波发生器一4和超声波发生器二6通过一个三通接头同时接入函数信号发生器2的信号输出端口，超声波接收器一5的接头接入示波器3的ch1接口，超声波接收器二7的接头接入示波器3的ch2接口，用信号线将函数信号发生器2的同步信号接头直接接入示波器3的外触发接口，按下各仪器开关，函数信号发生器2选择正弦波波形，调节输出信号的频率值及振幅值与超声波发生器一4、超声波接收器一5、超声波发生器二6和超声波接收器二7的工作频率与振幅相一致，示波器3选择外触发模式；步骤2：无风情况下调节超声波发生器一4与超声波接收器一5的传播路径lx和超声波发生器二6与超声波接收器二7的传播路径ly相同，此时示波器3所显示的ch1与ch2两路信号波形重合，即二者在无风状态下的初相位相同，并记录此时ch1与ch2两路波信号的初始位置；步骤3：由风机8施加具有一定速度、一定方向的风，超声波发生器一4和超声波接收器一5支路的ch1波信号相较于其初始波信号的位置发生变化，即ch1波信号的相位发生变化，在示波器3上读取并记录该相位差步骤4：超声波发生器二6和超声波接收器二7支路的ch2波信号相较于其初始波信号的位置发生变化，即ch2波信号的相位发生变化，并在示波器3上读取并记录该相位差步骤5：保持风向不变，增大风速，重复上述步骤1至4；步骤6：测量并记录两支路路径长度lx与ly，读取并记录超声波频率f0及风机8的位置；步骤7：对数据进行运算的运算过程如下：第一步：以lx支路为例：无风时：式中:v0为超声波声速，超声波发射正方向设定沿lx从超声波发生器一(4)到所述超声波接收器一(5)；tx为无风时超声波信号传播时间；此时，v为总风速；为v的矢量形式；有风时：式中：t'x为有风时lx方向超声波信号传播时间；vx为沿lx方向风速分量，与超声波发射正方向相同时为正，相反时为负；vy为沿ly方向风速分量，与超声波发射正方向相同时为正，相反时为负；此时，式中：δtx为有风与无风lx方向超声波信号传播时间差；δlx＝v0×δtx(式4)式中：δlx为有风与无风lx方向超声波信号声程差；式中：为有风与无风lx方向超声波信号相位差，当接收信号相对于原始信号相位超前时为负，延迟时为正；整理(式5)可得：第二步：同理可得，ly支路：式中：为有风与无风ly方向超声波信号相位差，当接收信号相对于原始信号相位超前时为负，延迟时为正；第三步：联立(式6)和(式7)，求得：式中：第四步：运用勾股定理得总风速：第五步：计算风向：式中：α风速方向与lx正方向夹角，自lx正方向起，逆时针为正；结合vx与vy的正负加以分析即可得到准确的角度α。实施例一：实验条件：风向指向第一象限超声波频率f0(khz)40.00路径长度lx(m)0.328路径长度ly(m)0.328实验结果：实施例二：实验条件：风向指向第二象限超声波频率f0(khz)40.00路径长度lx(m)0.328路径长度ly(m)0.328实验结果：实施例三：实验条件：风向指向第三象限超声波频率f0(khz)40.00路径长度lx(m)0.328路径长度ly(m)0.328实验结果：实施例四：实验条件：风向指向第四象限超声波频率f0(khz)40.00路径长度lx(m)0.328路径长度ly(m)0.328实验结果：通过对以上实验数据的计算可以看出，对于具有任意速度、方向的风，使用本实验仪均可以成功实现风速、风向的测量并获得有效的数据。以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。当前第1页12