专利名称：超声波三维测风方法和三维超声波风速风向仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及风速风向测量领域，具体涉及一种三维超声波风速风向仪及超声波三维测风方法。
背景技术：
目前现有的风速风向仪主要包括机械式风速风向仪、热敏式风速风向仪以及超声波风速风向仪。其中，机械式风速风向仪存在活动的机械部件，对测量环境要求比较高，在沙尘或者低温结冰环境中无法正常工作，并且因活动部件磨损导致使用寿命短。此外，受机械结构及测量原理的限制，机械式风速风向仪的测量精度较低。热敏式风速风向仪的基本原理将置于气流中的物体加热到一定温度，通过计算物体的热量损失来计算风速。这种热敏式风速风向仪受环境温度变化影响较大，只适用于温度变化慢的低风速测量，而且实际应用不多。超声波测量风速风向没有活动的机械部件，具有适用于恶劣测量环境及测量结果准确等优点。但现有的超声波测风设备大都只针对平面的二维风速风向的测量，没有对三维的风速风向进行测量。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种三维的风速风向进行精确测量的方法。本发明的目的通过如下手段来实现。—种超声波三维测风方法，分别设置三个超声波探头对，即平行于水平面的第一水平探头对和第二水平探头对，和垂直于水平面的垂直探头对；分别获取各探头对中两个探头接收到来自对方发送的超声波的传播时间；依据测量的传播时间，以及三对面面相对的两个探头的间距，获求自然风的三维风速风向。本发明的目的还在于为上述方法提供实施运用的设备。该三维超声波风速风向仪，包括平行于水平面的第一水平探头对和第二水平探头对、垂直于水平面的垂直探头对； 三个探头对的六个超声波收发探头分别安装于六个测量臂内远离底座的一端，各探头对的探头彼此相向设立两两相对；第一测量臂、第三测量臂、第二测量臂与第四测量臂与底座连接，且依次相邻成90度夹角，第五测量臂与底座连接且位于底座的正上方，第六测量臂与第二测量臂连接；处理电路板放置于底座内。本发明风速风向仪通过测量超声波在三对两两相对的六个超声波收发探头间的传播时间，以及相对的两个探头的间距，运用时差法测量出三维的风速风向。本发明没活动的机械器件，且具有测量精度高与适用于各种恶劣环境的优点。
如下
图1是本发明提供的三维超声波风速风向仪的结构示意图。图2是本发明提供的处理电路板的原理框图。
图3是本发明提供的超声波三维测风方法的原理示意图。图4是本发明提供的超声波三维测风方法的流程图。图5是本发明提供的一次测量超声波在两对相对的探头之间传播的时间的流程图。图6是本发明提供的一次测量大气气压及温度的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。但是应该强调的是，下面的实施方式只是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。图1所示为本发明的三维超声波风速风向仪，它包括六个超声波收发探头、六个测量臂、底座及处理电路板。包括平行于水平面的第一水平探头对和第二水平探头对、垂直于水平面的垂直探头对；三个探头对的六个超声波收发探头分别安装于六个测量臂内远离底座的一端，各探头对的探头彼此相向设立两两相对；六个超声波收发探头分别安装于六个测量臂内远离底座的一端；第一测量臂、第三测量臂、第二测量臂与第四测量臂与底座连接，且依次相邻成90度夹角，第五测量臂与底座连接且位于底座的正上方，第六测量臂与第二测量臂连接；处理电路板放置于底座内。六个超声波收发探头分别安装于六个测量臂内远离底座的一端，两两相对且相对的两个探头在同一平面；第一测量臂Tl、第三测量臂T3、第二测量臂T2与第四测量臂T4与底座连接，且依次相邻成90度夹角，第五测量臂T5与底座连接且位于底座的正上方，第六测量臂T6与第二测量臂T2连接；处理电路板放置于底座内。(图中六个测量臂与六个超声波收发探头是一一对应的，所以T1、T2、T3、T4、T5和Τ6既代表各测量臂也代表相应的第一至第六超声波收发探头)
图2所示为本发明的三维超声波风速风向仪的硬件电路原理框图，分以下单元中央处理单元，超声波驱动电路，接收信号处理电路，时间测量电路，数字通信电路，气压与温度测量电路，加热电路和电源电路。所述中央处理单元控制所有其它电路的工作，并进行数据处理及数据发送；所述超声波驱动电路负责产生超声波收发探头的驱动信号；所述接收信号处理电路负责接收信号的滤波放大处理；所述时间测量电路负责超声波在两个相对探头间的传播时间；所述数字通信电路负责与外部控制或显示器件的通信；所述加热电路负责三维超声波风速风向仪的加热，防止仪器结冰；所述电波电路负责外部输入电源的电压转换，为系统提供所需电源电压。六个超声波收发探头工作频率可以不一致，以便适合于不同测量范围。本发明所述三维超声波风速风向仪的测温与加热装置。所述测温装置用于测量环境温度，为中央处理单元提供温度参考。所述加热装置包括加热器与加热电路。所述加热器用于加热所述超声波收发探头，防止低温结冰；所述加热电路在中央处理单元的控制下控制所述加热器的工作。本发明所述的三维超声波风速风向仪的底座及测量臂用于安装超声波收发探头、 加热装置与处理电路板。所述的三维超声波风速风向仪的加热器位于每个测量臂内远离底座靠近超声波收发探头的一端。本发明所述超声波三维测风方法，分别设置三个超声波探头对，即平行于水平面的第一水平探头对和第二水平探头对，和垂直于水平面的垂直探头对；分别获取各探头对中两个探头接收到来自对方发送的超声波的传播时间；依据测量的传播时间，以及三对面面相对的两个探头的间距，获求自然风的三维风速风向。本发明所述三对两两相对的六个超声波探头中的四个平行于水平面，另外两个垂直于水平面；所述第一和第二水平探头对中二探头的间距相等。图3所示为本发明的超声波三维测风方法的原理示意图，通过平行于水平面的第一、第二、第三与第四超声波收发探头，测量风在水平方向的风速风向；能过垂直于水平面的第五与第六超声波收发探头测量垂直方向的风速风向。图4所示为本发明的超声波三维测风方法的流程图，图5是本发明提供的一次测量超声波在两对相对的探头之间传播的时间的流程图；图6是本发明提供的一次测量大气气压及温度的流程图。本发明所述三维超声波风速风向仪及超声波三维测风方法的具体计算原理为
权利要求
1.一种超声波三维测风方法，分别设置三个超声波探头对，即平行于水平面的第一水平探头对和第二水平探头对，和垂直于水平面的垂直探头对；分别获取各探头对中两个探头接收到来自对方发送的超声波的传播时间；依据测量的传播时间，以及三对面面相对的两个探头的间距，获求自然风的三维风速风向。
2.实现权利要求1所述之超声波三维测风方法的三维超声波风速风向仪，其特征在于，包括平行于水平面的第一水平探头对和第二水平探头对、垂直于水平面的垂直探头对； 三个探头对的六个超声波收发探头分别安装于六个测量臂内远离底座的一端，各探头对的探头彼此相向设立两两相对；第一测量臂、第三测量臂、第二测量臂与第四测量臂与底座连接，且依次相邻成90度夹角，第五测量臂与底座连接且位于底座的正上方，第六测量臂与第二测量臂连接；处理电路板放置于底座内。
3.根据权利要求2所述之三维超声波风速风向仪，其特征在于，所述第一和第二水平探头对中二探头的间距相等。
4.根据权利要求2所述之三维超声波风速风向仪，其特征在于，所述之六个超声波收发探头工作频率可以不一致。
5.根据权利要求2所述之三维超声波风速风向仪，其特征在于，在各测量臂内远离底座的一端设置有加热装置。
全文摘要
本发明公开了一种超声波三维测风方法和三维超声波风速风向仪。一种超声波三维测风方法，分别设置三个超声波探头对，即平行于水平面的第一水平探头对和第二水平探头对，和垂直于水平面的垂直探头对；分别获取各探头对中两个探头接收到来自对方发送的超声波的传播时间；依据测量的传播时间，以及三对面面相对的两个探头的间距，获求自然风的三维风速风向。本发明可以对测量三维的风速风向进行精确求算，没有活动的机械器件，且带有加热装置，不需要经常维护，能适用于恶劣环境条件下的全天候风速风向测量。
文档编号G01P5/24GK102269769SQ20111012354
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者吴宗玲, 周国华, 张宇行, 曾德兵, 潘炜, 苗强, 闫连山, 陈娟子 申请人:成都阜特科技有限公司, 西南交通大学