超声波测风系统的制作方法

[0001]
本实用新型应用于超声波测风的技术领域,特别涉及一种超声波测风系统。


背景技术：

[0002]
风速的测量被广泛应用于军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面。快速、可靠、宽范围、高精度的风速、风向测量仪具有极大的市场需求。目前，常用的风速测量技术有机械式测量、皮托管测量、热线热膜测量、激光多普勒测量、超声波测量等。热线热膜测量精度较高，但只适合测量比较低的风速段；激光多普勒测风方法具有测量精度高和测量范围广的优点，但仪器结构复杂，不适宜在野外恶劣的环境中工作；机械式的测量方法因为存在转动部件、启动风速高、同时转动产生的惯性还会引起迟滞效应等问题，主要应用于精度要求不高且风速较低、风速变化范围不大的测量环境中；皮托管式测量方法在被测风速小于 10m/s 时精度很低，并且不适合用于含杂质气体的风速测量，因此存在较大的使用局限性。超声波测量方法以其独有的测量范围宽、测量精度高、测量速度快、启动风速低、结构简单、抗振动、适用于野外恶劣环境下工作等优点被广泛应用。超声波风速测量方法大多都采用传统的多普勒法、相关法、相关法测量风速风向。传统的测试方法存在因流体成分和温度的影响而导致测量风速不准确，而且设计系统比较复杂成本比较高才能达到高精度参数的缺点。


技术实现要素：

[0003]
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种测量精度高、稳定信好、成本低、结构简单且适应性强的超声波测风系统。
[0004]
本实用新型所采用的技术方案是：所述超声波测风系统包括处理器、发射升压模块、模拟开关模块、接收放大滤波模块、输出接口模块以及若干超声波传感器组，所述发射升压模块的输入端、所述接收放大滤波模块的输出端以及所述输出接口模块的输入端均与所述处理器电信号连接，若干所述超声波传感器组均电信号连接于所述发射升压模块及所述模拟开关模块，所述模拟开关模块与所述接收放大滤波模块电信号连接。
[0005]
由上述方案可见，所述处理器用于进行逻辑运算、执行程序以及输出相应的pwm波段。所述处理器输出相应的pwm波段控制所述发射升压模块输出相应高电压信号,高电压信号驱动所述超声换能器发射超声波，同时所述处理器内的计时器开始计时，然后所述处理器控制所述模拟开关模块开始接收回波信号，所述接收放大滤波模块对回波信号进行放大和整形之后再传送给所述处理器进行判断和计时。所述处理器采集多组数据后再进行数字滤波和计算处理求出稳定的风速风向值，最后通过所述输出接口模块输出风速结果。所述超声波测风系统整体结构简单且成本低，通过所述发射升压模块切换不同的发送通道，使所述超声波传感器组进行发射端变换获得的两种风速测试结果，由所述处理器结合两组所述超声波传感器组的风速数据进而通过时差法计算出初步风速风向值，然后通过计算不同组合方式的平均值获得风速风向最终值，进而获得精度高且稳定的风速风向值。可通过增
加沿不同角度设置的所述超声波传感器组的数量获得更多数据，提高测试精度。同时通过采用作为测试手段消除了流体介质和温度对测试精度的影响，提高环境适应性。
[0006]
一个优选方案是，所述超声波测风系统共设有两个所述超声波传感器组，两个所述超声波传感器组分别沿纵向和横向设置，所述超声波传感器组包括两个相对设置的超声波换能器。
[0007]
由上述方案可见，通过分别沿纵向和横向的设置方式实现二维平面风向风速数值，通过两个相对设置的所述超声波换能器实现双向数据测试，提高测试精度。可通过增加数值方向设置的所述超声波传感器组实现三维空间的风向风速测试。
附图说明
[0008]
图1是所述超声波测风系统的电路原理图；图2是本实用新型的工作流程图。
具体实施方式
[0009]
如图1所示，在本实施例中，所述超声波测风系统包括处理器1、发射升压模块2、模拟开关模块3、接收放大滤波模块4、输出接口模块5以及若干超声波传感器组，所述发射升压模块2的输入端、所述接收放大滤波模块4的输出端以及所述输出接口模块5的输入端均与所述处理器1电信号连接，若干所述超声波传感器组均电信号连接于所述发射升压模块2及所述模拟开关模块3，所述模拟开关模块3与所述接收放大滤波模块4电信号连接。
[0010]
在本实施例中，所述处理器1的型号为smt32f4。
[0011]
在本实施例中，所述超声波测风系统共设有两个所述超声波传感器组，两个所述超声波传感器组分别沿纵向和横向设置，所述超声波传感器组包括两个相对设置的超声波换能器6。
[0012]
如图2所示，所述超声波测风系统的工作流程包括以下步骤：a.启动后进行10毫秒的定时，然后关闭所述模拟开关模块3的所有接收通道，所述处理器1开启计时器；b.所述发射升压模块2分别向两个所述超声波传感器组中任意一个所述超声波换能器6输出8个200khz互为反向的矩形波；c.延时10微秒后开启两个所述超声波传感器组中另一个所述超声波换能器6；d.定时150微秒后开启超声波接收中断，开启定时300微秒，定时内当超声波接收中断触发后检测捕获频率是否在225khz至245khz之间，在频率区间内执行读取计时器的数值；e.定时300微秒结束后关闭所述模拟开关模块3的接收通道；f.完成一次数据采集后，所述发射升压模块2切换步骤b中的所述超声波换能器6为未采集的发送组合后，重复步骤a至步骤f；g.获取到四种超声波数据组合时，所述处理器1通过时差法进行风速和角度的计算，进而获取当前风速风向值，所述发射升压模块2切换发送组合，并重复步骤a至步骤g，直至获取两组以上的风向风速值，取风向风速的平均值为最终值；h.所述处理器1通过所述输出接口模块5输出风速结果。
[0013]
通过切换同组所述超声波传感器组的发射方向，进而获得四种测试组合的数据，
通过时差法计算风速和角度，再结合四种测试结果获取精度高且稳定的测试结果。通过获取多组测试结果，提高测试精度。
[0014]
其中时差法的计算方法为：通过测量顺风传播和逆风传播的时间，可得到实时的风速和超声波在无风时的传播速度。设超声波探头之间的距离为固定值d，空气实时流速为v，超声波在无风状态下的传播速度为c。
[0015]
在顺风下传播的时间为t
ab
, 逆风下传播的时间为t
ba
，则：t
ab =d/(c+v)
ꢀ……
公式 1；t
ba =d/(c-v)
ꢀ……
公式 2；由上面公式1和公式2得风速：v=d*（t
ba-t
ab
）/ (2 *t
ab
*t
ba
)
……
公式 3；在探头距离固定的情况下，风速与信号飞行时间相关，与超声信号在静态介质中的速度无关，与温度湿度及介质也无关。这种测试方法可以消除了流体介质和温度的对测试精度的影响。
[0016]
对于有风向的测试，需要使用两组超声换能器以90
°
的x和y方向结构摆放，结合求出x方向和y方向的矢量和，即求出风向角度和风的速度的风速风向矢量模型。
[0017]
将公式3转换成对应的做为x方向上的风速：v
x
=d*（t
bax-t
abx
）/ (2 *t
abx
*t
bax
)
ꢀ……
公式 4；将公式3转换成对应的做为y方向上的风速：v
y
=d*（t
bay-t
aby
）/ (2 *t
aby
*t
bay
)
ꢀ……
公式 5；其中t
abx
为x方向的顺风下传播的时间，t
bax
为x方向的逆风下传播的时间，t
aby
为y方向的顺风下传播的时间，t
bay
为y方向的逆风下传播的时间；矢量风速=
……
公式 6；矢量角度α = arctan(v
y / v
x
)=arctan((1/ t
aby
ꢀ-
1/ t
bay
)/ (1/ t
abx
ꢀ-
1/ t
bax
))
……
公式 7。