一种风速风向的测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种风速风向的测量方法，包括以下步骤：首先，设置两对相互垂直且处于同一个平面内的具有收发功能的超声波换能器，并在两对超声波换能器上方设置一个超声波反射板；其次，分别测量获取各换能器对中两个换能器接收到来自对方通过超声波反射板发送的超声波的传播时间；接着，依据测量的超声波传播时间，以及对应的超声波换能器对中相对的两个换能器的间距，得出相应的超声波传播速度；最后，根据相应的超声波传播速度，算出通过其中的风速风向。本发明测量风速风向不受环境影响，测量精度高，系统成本低。
【专利说明】
_种风速风向的测量方法
技术领域
[0001]本发明涉及风速风向测量领域，尤其涉及一种超声波风速风向的测量方法。
【背景技术】
[0002]由于机械式风速风向仪不易携带，机器寿命短且误差大，因此，采用超声波的风速风向仪器越来越受到用户的欢迎。
[0003]超声波法测量风速风向的关键技术在于，测量超声波在两个超声波换能器间的传播速度，即超声从发射换能器到接收换能器传播时间的精确测量。目前市面上的超声波测量传播时间的方法有:
A:寻找最大峰值过零点法:换能器a发射完一定数量的超声波信号后，从换能器b上采集超声波的接收信号。接收信号采集完成后首先逐点比较模数(AD)采样点，并找出最大峰值的波形，计算出其过零点的时刻(波形幅度最大的过零点，对应的发射波形为发射波的最后一个波的过零点)，通过计算换能器a发出的最后一个波的过零点与换能器b接收到的最大的一个波的过零点之间的时间差即为超声波从换能器a到换能器b的传播的时间。该方法需要快速的AD采样并计算出最大峰值波形，所以在电路成本上有所增加，不适合采用比较便宜的单片机实现。
[0004]B:寻找起始波法:通过测量接收换能器接收到的起振波形峰值，计算得出接收波形的起始波时间，发射波形的起始时间与起始波形的起始时间差即为超声在两个换能器传播的时间。该方法的缺点是:会引入误差或需要比较高速的AD采用及数字计算，提高的器件成本。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于为克服上述问题而提供一种测量精度高，测量设备成本低、耐用的风速风向的测量方法。
[0006]为此，本发明公开了一种风速风向的测量方法，包括以下步骤:
S1:设置两对相互垂直且处于同一个平面内的具有收发功能的超声波换能器，设其中一对超声波换能器连成的直线为X轴，另一对超声波换能器连成的直线为Y轴，并在两对超声波换能器上方设置一个超声波反射板；
S2:分别测量获取X轴换能器对中其中一个换能器通过超声波反射板向另外一个换能器发送超声波的传播时间txl和另外一个换能器通过超声波反射板向其中一个换能器发送超声波的传播时间tx2，以及Y轴换能器对中其中一个换能器通过超声波反射板向另外一个换能器发送超声波的传播时间tyl，另外一个换能器通过超声波反射板向其中一个换能器发送超声波的传播时间ty2，具体方法为:
采用一串有相移的脉冲波激励超声波发射换能器，在超声波接收换能器端，对接收到的波形进行整形，并寻找到整形后的波形脉冲有相移的时间点，整形后的和发射的波形对应的相移点的时间差则为超声波换能器接收到来自对方的超声波传播时间； 53:依据测量的超声波传播时间txl、tx2、tyl、ty2，以及对应的超声波换能器对中相对的两个换能器的间距，得出相应的超声波传播速度Vxl、Vx2、Vyl、Vy2 ;
54:通过超声波传播速度Vxl、Vx2、Vy1、Vy2，算出通过的风速、风向分别为:
风速:V=( ((Vx2-Vxi) X COS^)2+((Vy2-Vyi) X COS^)2)172
风向:φ=θ+φ =arctan((Vx2_ Vxi)/(Vy2-Vyi))+ φ
其中，Θ为风向Φ与X坐标轴的夹角，Φ为Χ，Υ坐标系与地球坐标系的夹角，β为超声波换能器发射方向与Χ，Υ坐标系的夹角。
[0007]进一步的，所述步骤S2中，脉冲波为矩形的脉冲波。
[0008]进一步的，所述步骤S2中，对接收到的超声波进行整形前还对其进行放大滤波。
[0009]本发明的有益技术效果:
本发明采用一串有相移的脉冲波激励超声波发射换能器，在接收端，对接收到的波形进行整形，并寻找到接收波形脉冲有相移的时间点，从而得出超声波在两个换能器间传播的时间，对电路系统要求简单，普通单片机即可实现，成本低，且测量的风速风向不受环境影响，测量精度高，相应的设备耐用寿命长。
【附图说明】
[0010]图1为本发明实施例中的超声波换能器布置示意图；
图2为本发明实施例中的超声波传播路径示意图；
图3为本发明实施例中的脉冲波形图；
图4为本发明实施例中的正弦波形图；
图5为本发明实施例中的整形后的脉冲波形图。
【具体实施方式】
[0011]现结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0012 ] —种风速风向的测量方法，包括以下步骤:
S1:如图1和图2所示，设置两对相互垂直且处于同一个平面内的具有收发功能的超声波换能器51、53和52、54，设其中一对超声波换能器52、54连成的直线为X轴，另一对超声波换能器51、53连成的直线为Y轴，并在两对超声波换能器上方设置一个超声波反射板4。
[0013]S2:分别测量获取超声波由换能器54发射超声波，并通过超声波反射板4反射到换能器52的传播时间txl，由换能器52发射超声波，并通过超声波反射板4反射到换能器54的传播时间tx2、由换能器53发射超声波，并通过超声波反射板4反射到换能器51的传播时间tyl、由换能器51发射超声波，并通过超声波反射板4反射到换能器53的传播时间ty2，具体方法为:
S21:对超声波发射换能器施加一串有相移的周期为T的脉冲波，本实施例中脉冲波采用矩形脉冲波(在其它实施例中也可以是正弦波或三角波等)，其波形如图3所示，将相移点(本实施例中选11/12T末1/2T初，在其它实施例中也可以为其它时刻点)对应的时刻作为超声波发射的起始时间tl。
[0014]S22:对超声波接收换能器接收到的超声波进行放大滤波(去除噪音干扰，增强有用信号强度，从而提高测量精度)，得到正弦波形，如图4所示。
[0015]S23:对接收到的正弦波形进行整形得到和发射相同的具有相移的矩形脉冲波，如图5所示。
[0016]S24:通过对整形后的脉冲波形进行上升沿计数，如果连续接收到时间周期为T，11/12T，I/2T，T，4个上升沿时间点，则11/12T末I/2T初对于的时间12与超声波发射时的11之间的差则为超声波换能器接收到来自对方的超声波传播时间。
[0017]该方法的好处为:1.对电路系统要求简单，普通单片机既可以实现;2.由于测试点前后的时间段里，发射换能器都有驱动电压，其信号抗干扰能力强，测试的超声传播时间准确。
[0018]S3:由于超声波换能器51和53，52和54的距离固定，超声波发射角度可以预先测量出来，从而超声波的传播距离就可以确定，再依据测量得到的超声波传播时间txl、tx2、tyl、ty2，可以计算得出相应的超声波由换能器54发射到52的传播速度Vxl、由换能器52发射到54的传播速度Vx2、由换能器53发射到51的传播速度Vyl、由换能器51发射到53的传播速度Vy2。
[0019]S4:设在超声换能器51，52，53，54组成的直角坐标系中，风向11>与该坐标系乂轴的夹角为Θ，该坐标系与地球坐标系夹角为Φ，通过传播速度Vxl、Vx2、Vyl、Vy2，可以算出通过其中的风速、风向分别为:
风速:V=( ((Vx2-Vxi) X COS^)2+((Vy2-Vyi) X COS^)2)172风向:φ=θ+φ =arctan((Vx2_ Vxi)/(Vy2-Vyi))+ φ。
[0020]其中，β为超声波换能器发射方向与X，Y坐标系的夹角。
[0021]具体的，本实施例中，β为45度，则风速、风向分别为:
风速:V=(((VX2-Vxi)/1.414)2+((Vy2-Vyl)/1.414)2)1/2风向:φ=θ+φ =arctan((Vx2_ Vxi)/(Vy2-Vyi))+ φ。
[0022]尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种风速风向的测量方法，其特征在于，包括以下步骤: S1:设置两对相互垂直且处于同一个平面内的具有收发功能的超声波换能器，设其中一对超声波换能器连成的直线为X轴，另一对超声波换能器连成的直线为Y轴，并在两对超声波换能器上方设置一个超声波反射板； S2:分别测量获取X轴换能器对中其中一个换能器通过超声波反射板向另一个换能器发送超声波的传播时间txl和另一个换能器通过超声波反射板向其中一个换能器发送超声波的传播时间tx2，以及Y轴换能器对中其中一个换能器通过超声波反射板向另一个换能器发送超声波的传播时间tyl，另一个换能器通过超声波反射板向其中一个换能器发送超声波的传播时间ty2，具体方法为: 采用一串有相移的脉冲波激励超声波发射换能器，在超声波接收换能器端，对接收到的波形进行整形，并寻找到整形后的波形脉冲有相移的时间点，整形后的和发射的波形对应的相移点的时间差则为超声波换能器接收到来自对方的超声波传播时间； 53:依据测量的超声波传播时间txl、tx2、tyl、ty2，以及对应的超声波换能器对中相对的两个换能器的间距，得出相应的超声波传播速度Vxl、Vx2、Vyl、Vy2; 54:通过超声波传播速度Vxl、Vx2、Vy1、Vy2，算出通过的风速、风向分别为: 风速:V= (((Vx2-Vxi) X COS^)2+((Vy2-Vyi) X COS^)2)172 风向:i])=0+(})=a;rctan((Vx2- Vxi)/(Vy2-Vyi))+ φ 其中，Θ为风向Φ与X坐标轴的夹角，Φ为X，￥坐标系与地球坐标系的夹角，β为超声波换能器发射方向与Χ，Υ坐标系的夹角。2.根据权利要求1所述的一种风速风向的测量方法，其特征在于:所述步骤S2中，脉冲波为矩形的脉冲波。3.根据权利要求1所述的一种风速风向的测量方法，其特征在于:所述步骤S2中，对接收到的超声波进行整形前还对其进行放大滤波。
【文档编号】G01P5/24GK105911308SQ201610411484
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】冯启源, 苏晓丹, 马建伟
【申请人】中科同德（厦门）物联网科技有限公司