专利名称：超声波数字风速风向仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及气象观测和流体测量技术领域。特别是一种超声 波数字风速风向仪。
背景技术：
在气象观测预报，体育比赛场地环境测量等领域，都涉及到流体 测量问题，使得风速仪得到了广泛的应用。
常用风速仪有机械式风速仪、动压力式风速仪、热式风速仪等。 风杯式和螺旋桨式风速仪都是利用机械部件旋转来敏感风速大小，并 结合风向标获得风向。尽管这种方法简单可靠，但由于其测量部分具 有机械活动部件，在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，寿命有 限，维护成本较高；另外，其精度不高，体积也较大使用领域受到极 大制约，如EY型电传风速风向仪，其启动风速为0.5m/s，测量范围 为2-12m/s或5-40m/s，测量精度为0.3m/s，风向测量精度为士ll。。 也有采用流体压力测风速的压力式风速仪，采用的传感器就是皮托管， 但由于在自然风的条件下，空气的动压力相对较小，需要测量微小压 力的仪器，这种仪器价格较高，且要求的环境条件严格，多年来只能 在实验室使用，难以推广。还有热球式风速仪，如QDF-3型风速仪， 测量范围为0.5m/s—30m/s，测量误差为5%-10%，但是不宜在潮湿， 有粉尘的自然条件下使用。
发明内容
本实用新型的目的是在于提供一种测量精度高、使用范围广、成 本低、可靠性强、使用寿命长，并能测量瞬时风速和风向的数字式风 速风向仪。
所述超声波数字风速风向仪，其特征是所述风速风向仪由电源 模块l、四个发射接收模块2、计时模块3、控制及数据处理模块4、显示单元5和四个成正交的两个方向设置收发一体的超声波探头6、7、 8、 9组成，所述计时模块3包括选通逻辑单元、计数器、锁存器；所 述四个发射接收模块2的探头发射接收控制端2-8分别与控制及数据 处理模块4的发射接收控制指令端连接，四个发射接收模块2的输出 驱动信号端2-16分别通过计时模块3的选通逻辑控制端与计数器启 动、停止端连接，四个发射接收模块2的超声波信号输入输出端2-6、 2-13通过变压器10分别与收发一体超声波探头6、 7、 8、 9连接。
所述计时模块3的选通逻辑单元、计数器和锁存器分别与控制及 数据处理模块4的选通指令端、复位指令端和锁存指令端连接；电源 模块1的直流12V和5V工作电源分别与发射接收模块2、计时模块3 和控制及数据处理模块4的工作电源端连接。
所述风速风向仪还可采用三个互成60。三个方向布置的收发一体 的超声波探头ll、 12、 13分别与三个对应发射接收模块2连接。 它的工作原理是
超声波是机械振动在媒质中的传播过程，其传播速度必然受媒质 自身运动的影响。本实用新型四个探头均为收发一体探头，分为两组 6和7、 8和9布置，通过控制及数据处理模块4来控制各个探头的收 发顺序和工作时间，6和7协同工作、8和9协同工作，测出图la中 虚线方向的风速。三探头超声波数字风速风向仪的三个探头均为收发 一体探头，11、 12和13互成60。布置，其中一个探头发射，另外两 个探头接收，采取循环发射接收方式，测出图lb中虚线方向的风速。
在同一时刻，控制及数据处理模块4控制发射接收模块2，进行 一个探头的发射及对应探头的接收。与此同时，发射接收模块2在启 动发射探头发射超声波的同时，触发计时模块3开始计时，发射接收 模块2在接收探头收到超声波信号时，触发计时模块3停止计时。同 时控制及数据处理模块4记录本次测量时间并复位发射接收模块2和 计时模块3。控制及数据处理模块4在获得某一方向上超声波往返时 间后，进行下一方向的测量，所有方向上超声波往返时间测量完成即 构成一个测量周期，在一个测量周期结束后，控制及数据处理模块4计算出各个方向上的风速分量，通过矢量合成，求出风速值和风向值。 由于采用对称测量方式，测量结果与声速无关，无须复杂的声速 实时修正。
若在风场中沿X方向平行放置两对超声波探头T1，T2为发射, R1,R2为接收，它们相距为L，如图2所示。
设无风时空气中的声速为C,风速V沿X方向上的分量为Vx， 沿X轴正交面上的分量是Vy,按正反方向从Tl到R1、 T2到R2 的传播时间分别为
(1)<formula>formula see original document page 5</formula>如果距离L远大于声波的波长，则声波可简化为平面波，这时X 方向的声波传播时间仅与X方向上的风速有关，则(1)、 (2)可简化 为<formula>formula see original document page 5</formula>由(3)式与(4)式得
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因此，只要测出某个方向上顺风、逆风条件下，从向发射探头施加 激励脉冲起到接收探头收到第一个脉冲止的超声波传播时间，就可计 算出该方向上的风速。若测得两个不同方向上的风速分量，根据矢量 合成原理，可算出总的风速、风向。本实用新型的特点是-
1、 结构简单，体积小，重量轻。采用模块化设计，各个部分相互
独立，由一个探头支架、三(四)块模拟电路PCB板、 一块数字PCB 板组成，PCB板可层叠固定后安装于探头支架下方的屏蔽金属圆筒 内，探头支架和金属圆筒由耐腐蚀的不锈钢制成，可长期置于室外， 无需维护。
2、 使用寿命长，无需维护，可靠性强。本专利是纯固态结构，无 机械运动部件，结构坚固耐用，可以抵抗恶劣的自然环境，无需定期 维护，使用方便；电路工作在小信号状态下，功耗低，稳定可靠。
3、 精度高，测量范围广，可测量风速风向变化过程中的抖动特性。 其测量精度为风速误差小于0.2m/s，风向误差小于3° ，测量范围 为0 60m/s，可以根据需要，以多种数据格式输出风速和风向值。
本实用新型工作可靠，测量精度高，使用寿命长，可在各种恶劣 自然环境中使用。
图la是四探头数字超声波数字风速风向仪结构示意图，
图lb是三探头数字超声波数字风速风向仪结构示意图，
图2是超声波测速原理图，
图3是超声波发射接收电路图，
图4，是计时模块原理图，
图5是控制及数据处理模块原理图。
图中l一电源模块，2—发射接收模块，2-7—测试端，2-8—发 射控制端，2-6、 2-13—信号输入输出端，2-16—输出驱动信号端，3 一计时模块，4一控制及数据处理模块，5—显示单元，6、 7、 8、 9、 11、 12、 13—收发一体超声波探头，IO—变压器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进一步说明图la、图2、图3中， 所述风速风向仪由电源模块l、四个发射接收模块2、计时模块3、控制及数据处理模块4、显示单元5和四个成正交的两个方向设置收发 一体的超声波探头6、 7、 8、 9组成，所述计时模块3包括选通逻辑单 元、计数器、锁存器；所述四个发射接收模块2的探头发射接收控制 端2-8分别与控制及数据处理模块4的发射接收控制指令端连接，四 个发射接收模块2的输出驱动信号端2-16分别通过计时模块3的选通 逻辑控制端与计数器启动、停止端连接，四个发射接收模块2的超声 波信号输入输出端2-6、 2-13通过变压器10分别与收发一体超声波探 头6、 7、 8、 9连接。图l b中所述风速风向仪还可采用三个互成60 °三个方向布置的收发一体的超声波探头11、 12、 13分别与三个对应 发射接收模块2连接。图4、 5中，所述计时模块3的选通逻辑单元、 计数器和锁存器分别与控制及数据处理模块4的选通指令端、复位指 令端和锁存指令端连接；电源模块1的直流12V和5V工作电源分别 与发射接收模块2、计时模块3和控制及数据处理模块4的工作电源 端连接。控制及数据处理模块4的数据输出端与显示单元5的输入端 连接。所述控制及数据处理模块4还设置有ISP下载和串行通信接口 。
图1 a是四探头数字超声波数字风速风向仪结构方框图，图lb是 三探头风速风向仪。三探头和四探头可以根据需要互换，只需将单片 机中的程序重新下载即可实现变换，为实现变换，本发明留有ISP下 载接口，以方便修改单片机程序。
图3是超声波发射接收电路图。Ll和Cl构成选频电路，对探头 发射和接收的超声波频率进行选择，控制中心频率在40KHz左右。 C2和R3对超声波的接收门限进行控制，通过调节滑动变阻器R3的 阻值来调节接收门限。变压器IO对电压进行变压，以驱动超声波探头 发射或接收。C4是一个隔直电容。C5同L6的次级线圈构成谐振电路。 C9用于调节探头发射接收的转换时间。C13为一储能电容。C17同 R17构成积分电路。C18为积分复位电容。芯片的2-7脚用于测试芯 片是否正常控制探头发射超声波，芯片正常驱动探头发射时，将产生 40KHz的脉冲信号。芯片的2-8脚实现探头的发射控制，当外加高电 平时，控制芯片驱动探头发射，常态时为接收状态。芯片2-16脚为输出驱动信号，其常态为高电平，当探头发射或接收到信号时，降为低 电平，该信号用以启动或停止计时模块，完成对传播时间的测量。
图4是计时模块原理图。发射电路输出同接收电路输出信号通过 选通逻辑。发射探头发射时，将产生一个下降沿，该下降沿将启动计 数器，开始计时，接收探头接收到超声波信号时，将产生一个上升沿， 该上升沿停止计数器，同时启动锁存器跟踪计数器，高电平时将该时 刻计数器的读数锁存住，以供单片机读取。
图5是控制及数据处理模块原理图。其主要功能由单片机完成， 单片机产生发射接收控制指令，控制发射接收电路的发射接收顺序和 时间，选通指令对发射接收电路的输入信号进行控制，进行某一方向 的风速测量。锁存指令控制一次测量结束后，锁存器对该次测量的时 间进行锁存。复位指令控制每次测量结束后，对计数器和锁存器进行 复位，准备下一次测量。显示控制主要将单片机数据处理的结果按预 定的方式输给显示设备。为方便对单片机的测试，本模块留有专门的 ISP下载和串行通信接口。
权利要求1.一种超声波数字风速风向仪，其特征是所述风速风向仪由电源模块(1)、四个发射接收模块(2)、计时模块(3)、控制及数据处理模块(4)、显示单元(5)和四个成正交的两个方向设置收发一体的超声波探头(6、7、8、9)组成，所述计时模块(3)包括选通逻辑单元、计数器、锁存器；所述四个发射接收模块(2)的探头发射接收控制端(2-8)分别与控制及数据处理模块(4)的发射接收控制指令端连接，四个发射接收模块(2)的输出驱动信号端(2-16)分别通过计时模块(3)的选通逻辑控制端与计数器启动、停止端连接，四个发射接收模块(2)的超声波信号输入输出端(2-6、2-13)通过变压器(10)分别与收发一体超声波探头(6、7、8、9)连接。
2. 根据权利要求1所述的超声波数字风速风向仪，其特征是所 述计时模块(3)的选通逻辑单元、计数器和锁存器分别与控制及数据 处理模块(4)的选通指令端、复位指令端和锁存指令端连接；电源模 块(1)的直流12V和5V工作电源分别与发射接收模块(2)、计时模 块(3)和控制及数据处理模块(4)的工作电源端连接。
3. 根据权利要求1所述的超声波数字风速风向仪，其特征是所 述风速风向仪还可采用三个互成60°三个方向布置的收发一体的超 声波探头(11、 12、 13)分别与三个对应发射接收模块(2)连接。
4. 根据权利要求1所述的超声波数字风速风向仪，其特征是控 制及数据处理模块(4)的数据输出端与显示单元(5)的输入端连接。
5. 根据权利要求1所述的超声波数字风速风向仪，其特征是所 述控制及数据处理模块(4)还设置有ISP下载和串行通信接口。
专利摘要一种超声波数字风速风向仪，由电源模块(1)、四个发射接收模块(2)、计时模块(3)、控制及数据处理模块(4)、显示单元(5)和四个成正交的两个方向设置收发一体的超声波探头(6、7、8、9)组成；发射接收模块的探头发射接收控制端(2-8)分别与控制及数据处理模块(4)的发射接收控制指令端连接，发射接收模块的输出驱动信号端(2-16)分别通过计时模块(3)的选通逻辑控制端与计数器启动、停止端连接，发射接收模块的超声波信号输入输出端(2-6、2-13)与收发一体超声波探头(6、7、8、9)连接。本实用新型采用模块化设计，具有结构简单，体积小，使用寿命长，无需维护，可靠性强的优点。
文档编号G01P13/02GK201141867SQ20072008785
公开日2008年10月29日 申请日期2007年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者崔国恒, 曹可劲 申请人:中国人民解放军海军工程大学