一种二维超声波测风仪的制作方法

本发明属于超声波测风技术领域，尤其涉及一种二维超声波测风仪。

背景技术：

风速风向的精确测量是多个知识领域的主题，如农业，气象，航空，航海等多个领域中风速风向的精确测量都发挥着重要作用。超声波测风仪由于无机械旋转部件、性能稳定等优点被广泛运用，但由于自身湍流特性对风速的测量也存在一定的误差。经过多年的研究，发现在超声波测风仪中，声波内的流动失真主要是由于换能器的阴影效应导致的，这是由于风在换能器背风面上的冲击引起的。而超声波换能器的阴影效应取决于声波路径的几何形状、风向以及大气的稳定性。尤其当风向和换能器测风方向平行时这种影响达到最大。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种二维超声波测风仪，具体由以下技术方案实现：

所述二维超声波测风仪,包括数据线、主壳体以及五个换能器，所述五个换能器中一个为发射端，其余四个换能器为接收端，四个接收端分别对应地设于一个正方形的四个顶点位置，所述发射端位于所述正方形中心点的正上方，所述接收端与发射端通过数据线与主壳体通信连接。

所述二维超声波测风仪的进一步设计在于，发射端与接收端之间的连线与接收端所在正方形的平面的夹角为

所述二维超声波测风仪的进一步设计在于，所述发射端为具有90°指向角的超声波发射端。

所述二维超声波测风仪的进一步设计在于，主壳体中集成有控制电路与通信电路。

所述二维超声波测风仪的进一步设计在于，所述控制电路采用GP22，以控制换能器的驱动信号，并接收换能器的返回信号，计算延迟时间。

所述二维超声波测风仪的进一步设计在于，所述通信电路采用STM32F103ZET6，STM32F103ZET6接收所述延迟时间计算出风速数据，并输出风速数据。

所述二维超声波测风仪的进一步设计在于，所述相邻接收端的间距为70.7mm，发射端与接收端之间的距离为82mm。

本实用新型的优点如下：

本实用新型的二维超声波测风仪相对于声波探头位于主机身内的二位超声波测风仪，去除了外壳以及外壳内的支撑柱，从而能够大大减小由于湍流影响所造成的误差。且发射端和接收端不在同一水平面的二维超声波测风仪，相较于发射端与接收端在同一水平面的二维超声波测风仪而言，对风速的影响更小，大大减弱了超声波测风仪结构对风速的影响，从而减小了测风误差。

附图说明

图1为二维超声波测风仪换能器结构图。

图2为二维超声波测风仪换能器阵列几何解析图。

图3为二维超声波测风示意图。

具体实施方式

结合具体实施例与附图对本发明的技术方案进一步说明。

如图1，本实施例提供的二维超声波测风仪,主要由数据线(1、2、3、4、5)、主壳体6以及五个换能器。五个换能器中一个为发射端，其余四个换能器为接收端，四个接收端分别对应地设于一个正方形的四个顶点位置，参见图2中的r1、r2、r3以及r4。发射端t位于正方形中心点的正上方。接收端(r1、r2、r3、r4)与发射端t通过数据线与主壳体通信连接。

发射端与接收端之间的连线与接收端所在正方形的平面的夹角为本实施例中，为52.4°。

本实施例中的发射端为具有90°指向角的超声波发射端。

进一步的，主壳体中集成有控制电路与通信电路。本实施例中控制电路采用GP22来实现，GP22控制换能器的驱动信号，并接收换能器的返回信号，计算延迟时间。通信电路采用STM32F103ZET6来实现，STM32F103ZET6接收所述延迟时间计算出风速数据，并输出风速数据。

如图2，α在超声波发射端的方向角范围内，大小应在90°以内。M为发射端与接收端之间的距离为82mm，发射端r1、r2和发射端r3、r4分别位于x轴，y轴位置上，且r1，r2，r3,r4组成边长为70.7mm的正方形，发射端t位于正方形中心位置65mm。

如图3，发射端与在同一轴上的两个接收端构成等腰三角形，且腰长为M，底角为声波从超声波发射端到接收端的渡越时间为T，即

T＝T’+△T (1)

其中T是无风状态下超声波的渡越时间，△T是延迟时间。根据数学几何解析法得出风速的计算如式(1)、(2)、(3)所示：

然后根据式(4)分别求出Vx和Vy方向上的风速，由式(5)得出实际风速大小为：

最后由式(6)求得风向的大小：

本实施例采用超声波探头位于主体机身外的设计方法，避免了主机外壳对风速的影响，从外形结构上减小了对风流动的干扰。而且由于在实际生活中大部分的风都是平行与地面的风。另一方面，本实施例采用发射端与接收端不在同一水平面的设计方法，使得二维超声波测风仪对风速的影响程度达到最小，从而使二维超声波测风仪在结构上减小了风速的测量误差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。