基于多发多收超声波传感器的测风装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于风速风向测量技术领域，具体涉及了一种基于多发多收超声波传感器的测风装置及方法。装置包括超声波传感器阵列、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元；本发明专利技术利用两个发射超声波信号的超声波发射传感器和六个接收超声波信号的超声波接收传感器组成的两个超声波传感器子阵列，来接收含有风速风向信息的超声波阵列数据，然后通过将两个超声波传感器子阵列所接收阵列数据信息融合处理并通过波束形成算法测量出风速风向信息，两个超声波传感器子阵列所形成的不同的子阵列流型矢量，相比于一个阵列流型矢量或者两个相同的子阵列流型矢量组成的阵列流型矢量来说，包含了更多的风参数信息，因此对于风速风向的测量精度也更高。

【技术实现步骤摘要】
基于多发多收超声波传感器的测风装置及方法
本专利技术属于风速风向测量
，具体涉及了一种平面式的多发多收的超声波风速风向测量装置及方法。
技术介绍
风是一种常见的自然现象，也是一种重要的可再生，可循环的清洁能源。风速风向的精确测量在气象、航空、航海、军事等领域中都发挥着重要作用，人类对测风仪的使用主要包括机械式测风仪，热敏式测风仪和超声波测风仪，其中机械式测风仪主要包括翼状风速计和杯状风速计，但由于其内部存在转动部件，很容易磨损或者腐蚀，导致测量精度下降，维护成本高。而热敏式风速计主要是利用热敏探头，通过测量流动的风对热元件散热速率来测量风速，由于原理的限制，可测量风速的范围十分有限。而超声波测风仪由于内部无转动部件、没有启动风速的限制、测量范围大、测量精度高、维护成本低等优点而得到了人们的广泛关注。常用的超声测风技术主要是时差法，也即通过测量超声波在顺风和逆风情况下传播时间的不同来测量风速和风向，因此这种测风仪的测量精度完全取决于超声波传播时间的测量精度。因此现有技术当中急需要一种新的技术方案来解决这一问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种精度更高的基于多发多收超声波传感器的测风装置及方法。本专利技术提供了一种基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，包括：超声波传感器阵列、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元；所述超声波传感器阵列包括超声波发射器及超声波接收器；超声波发射器用于发射超声波信号以提供后续风速风向测量所需的超声波信号，超声波发射器由超声波驱动电路和两个用于发射超声波信号的超声波发射传感器组成，超声波驱动电路用于驱动两个超声波发射传感器在相等的时间间隔内交替发射同频率的超声波信号；超声波接收器由滤波放大电路和超声波接收传感器组成，超声波接收传感器数量为六个，六个超声波接收传感器用于接收到六路包含风速风向信息的超声波信号，超声波接收传感器与滤波放大电路相连，滤波放大电路用于对超声波接收传感器所接收的超声波信号进行滤波放大处理，并将处理后的超声波信号发送给主控单元；其中超声波发射传感器和超声波接收传感器均为超声波传感器，八个超声波传感器分布在同一平面内正方形的四个顶点及对角线交点处，且在对角线交点及正方形的两个顶点上各布置一对超声波传感器，且两个顶点与对角线交点共线；所述主控单元包括主控芯片、复位电路、时钟电路和电源电路，电源电路分别与主控芯片、复位电路及时钟电路相连，复位电路与主控芯片相连，时钟电路与主控芯片相连，主控单元与超声波传感器阵列通信连接，主控单元用于控制超声波信号的发射和接收，同时对接收的阵列数据进行处理；主控单元与温湿度补偿单元通信连接，主控单元用于接收温湿度补偿单元向其发送的温度检测数据及湿度检测数据，并通过温度检测数据及湿度检测数据来校正待测风所处环境中超声波信号的传播速度；主控单元与报警单元相连，若超声波发射器和/或超声波接收器发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第一报警信号，若温度检测模块和/或湿度检测模块发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第二报警信号；主控单元和显示单元相连；所述温湿度补偿单元用于检测超声波传播介质中的温度和湿度，其由温度检测模块和湿度检测模块组成，温度检测模块内部包括温度传感器，湿度检测模块内部包括湿度传感器；温度检测模块和湿度检测模块将检测的实时温度和湿度送入主控单元，以便主控单元根据温度检测数据及湿度检测数据来校正超声波传播速度；所述报警单元包括蜂鸣器，报警单元用于在超声波发射器、超声波接收器及温湿度补偿单元发生故障时发出警报提醒；所述显示单元用于显示所测量的风速风向信息，显示单元包括数码管和控制按键，数码管和控制按键均与主控单元相连。所述超声波驱动电路包括两个二极管、两个肖特基二极管、一个晶体管、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C6、电容C7及电感L1，其中，二极管型号为BAV99，肖特基二极管型号为BAT45S，晶体管型号为PMBT3904，电容C1、电容C6和电感L1的一端均连接至12V直流电源上，电容C6的另一端接地，电容C1和电感L1的另一端相连之后分别与电容C7和晶体管的第一引脚相连，晶体管的第二引脚与电阻R1相连，晶体管的第三引脚与电阻R2相连，且电阻R1和电阻R2的另一端接地，主控单元所输入的PWM信号则从电阻R1的非接地端给入，两个二极管正负极顺次相连组成一个环路，两个肖特基二极管正负极顺次相连组成一个环路，电容C7的另一端分别与两个二极管构成的环路的一个引出端、电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接地，两个二极管构成的环路的另一个引出端与超声波发射传感器的一个引脚，以及电阻R3和电阻R4的一端相连，电阻R3和超声波发射传感器的另一端都接地，电阻R4的另一端与两个肖特基二极管所组成环路的一个引出端相连，两个肖特基二极管所组成环路的另一个引出端接地。所述滤波放大电路包括两个运算放大器、两个二极管、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、电容C4及电容C5，其中两个运算放大器的型号为MAX4416，两个运算放大器分别为运算放大器A、运算放大器B，二极管型号为BAV99，电阻R6的一端同时接入模拟信号的输入端和电阻R9的一端，运算放大器A的2脚连接于电阻R6的另一端、电阻R10的一端以及两个串联连接二极管的正向输入端，运算放大器A的3脚与电容C3的一端、电阻R8的一端以及电阻R7的一端相连，其中电阻R7的另一端接2.5V的直流电源，电阻R8和电容C3的另一端均接地，电阻R10的另一端与两个串联连接二极管的输出端同时接入电阻R11的一端，同时电阻R11的另一端与电阻R9的另一端、电阻R13的一端、电容C5的一端和运算放大器B的6脚，电阻R13与电容C5的另一端同时接入运算放大器B的7脚，运算放大器B的5脚同时连接电阻R12和电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电阻R12的另一端接入12V的直流电源，运算放大器B的7脚则输出经放大滤波处理后的超声波信号。所述主控芯片所用型号为STM32F030。所述超声波驱动电路、滤波放大电路、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元布设在电路板上，该电路板设置在底座内部。本专利技术还提供了一种利用所述的基于多发多收超声波传感器的测风装置进行风速风向测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤101：温湿度补偿单元将其检测的实时环境温湿度数据传给主控单元；主控单元根据所检测的实时环境温湿度值的变化来判断温湿度补偿单元中的温度检测模块和/或湿度检测模块是否出现故障，若温度检测模块和/或湿度检测模块无故障，主控单元根据温湿度补偿单元所测量的温湿度值来校正超声波传播速度，若温度检测模块和/或湿度检测模块出现故障，则主控单元控制报警单元发出第二报警信号；步骤102：建立超声波传感器阵列结构；所述超声波传感器阵列包括用于发射超声波信号的两个超声波发射传感器，六个用于接收超声波信号的超声波接收传感器，主控单元控制两个超声波发射传感器在相等的时间间隔T内交替发射同频率的超声波信号；两个超声波发射传感器分别为超声波发射传感器A和超声波发射传感器B，超声波发射传感器A作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，包括：超声波传感器阵列、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元；所述超声波传感器阵列包括超声波发射器及超声波接收器；超声波发射器用于发射超声波信号以提供后续风速风向测量所需的超声波信号，超声波发射器由超声波驱动电路和两个用于发射超声波信号的超声波发射传感器组成，超声波驱动电路用于驱动两个超声波发射传感器在相等的时间间隔内交替发射同频率的超声波信号；超声波接收器由滤波放大电路和超声波接收传感器组成，超声波接收传感器数量为六个，六个超声波接收传感器用于接收到六路包含风速风向信息的超声波信号，超声波接收传感器与滤波放大电路相连，滤波放大电路用于对超声波接收传感器所接收的超声波信号进行滤波放大处理，并将处理后的超声波信号发送给主控单元；其中超声波发射传感器和超声波接收传感器均为超声波传感器，八个超声波传感器分布在同一平面内正方形的四个顶点及对角线交点处，且在对角线交点及正方形的两个顶点上各布置一对超声波传感器，且两个顶点与对角线交点共线；所述主控单元包括主控芯片、复位电路、时钟电路和电源电路，电源电路分别与主控芯片、复位电路及时钟电路相连，复位电路与主控芯片相连，时钟电路与主控芯片相连，主控单元与超声波传感器阵列通信连接，主控单元用于控制超声波信号的发射和接收，同时对接收的阵列数据进行处理；主控单元与温湿度补偿单元通信连接，主控单元用于接收温湿度补偿单元向其发送的温度检测数据及湿度检测数据，并通过温度检测数据及湿度检测数据来校正待测风所处环境中超声波信号的传播速度；主控单元与报警单元相连，若超声波发射器和/或超声波接收器发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第一报警信号，若温度检测模块和/或湿度检测模块发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第二报警信号；主控单元和显示单元相连；所述温湿度补偿单元用于检测超声波传播介质中的温度和湿度，其由温度检测模块和湿度检测模块组成，温度检测模块内部包括温度传感器，湿度检测模块内部包括湿度传感器；温度检测模块和湿度检测模块将检测的实时温度和湿度送入主控单元，以便主控单元根据温度检测数据及湿度检测数据来校正超声波传播速度；所述报警单元包括蜂鸣器，报警单元用于在超声波发射器、超声波接收器及温湿度补偿单元发生故障时发出警报提醒；所述显示单元用于显示所测量的风速风向信息，显示单元包括数码管和控制按键，数码管和控制按键均与主控单元相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，包括：超声波传感器阵列、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元；所述超声波传感器阵列包括超声波发射器及超声波接收器；超声波发射器用于发射超声波信号以提供后续风速风向测量所需的超声波信号，超声波发射器由超声波驱动电路和两个用于发射超声波信号的超声波发射传感器组成，超声波驱动电路用于驱动两个超声波发射传感器在相等的时间间隔内交替发射同频率的超声波信号；超声波接收器由滤波放大电路和超声波接收传感器组成，超声波接收传感器数量为六个，六个超声波接收传感器用于接收到六路包含风速风向信息的超声波信号，超声波接收传感器与滤波放大电路相连，滤波放大电路用于对超声波接收传感器所接收的超声波信号进行滤波放大处理，并将处理后的超声波信号发送给主控单元；其中超声波发射传感器和超声波接收传感器均为超声波传感器，八个超声波传感器分布在同一平面内正方形的四个顶点及对角线交点处，且在对角线交点及正方形的两个顶点上各布置一对超声波传感器，且两个顶点与对角线交点共线；所述主控单元包括主控芯片、复位电路、时钟电路和电源电路，电源电路分别与主控芯片、复位电路及时钟电路相连，复位电路与主控芯片相连，时钟电路与主控芯片相连，主控单元与超声波传感器阵列通信连接，主控单元用于控制超声波信号的发射和接收，同时对接收的阵列数据进行处理；主控单元与温湿度补偿单元通信连接，主控单元用于接收温湿度补偿单元向其发送的温度检测数据及湿度检测数据，并通过温度检测数据及湿度检测数据来校正待测风所处环境中超声波信号的传播速度；主控单元与报警单元相连，若超声波发射器和/或超声波接收器发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第一报警信号，若温度检测模块和/或湿度检测模块发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第二报警信号；主控单元和显示单元相连；所述温湿度补偿单元用于检测超声波传播介质中的温度和湿度，其由温度检测模块和湿度检测模块组成，温度检测模块内部包括温度传感器，湿度检测模块内部包括湿度传感器；温度检测模块和湿度检测模块将检测的实时温度和湿度送入主控单元，以便主控单元根据温度检测数据及湿度检测数据来校正超声波传播速度；所述报警单元包括蜂鸣器，报警单元用于在超声波发射器、超声波接收器及温湿度补偿单元发生故障时发出警报提醒；所述显示单元用于显示所测量的风速风向信息，显示单元包括数码管和控制按键，数码管和控制按键均与主控单元相连。2.根据权利要求1所述的基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，所述超声波驱动电路包括两个二极管、两个肖特基二极管、一个晶体管、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C6、电容C7及电感L1，其中，二极管型号为BAV99，肖特基二极管型号为BAT45S，晶体管型号为PMBT3904，电容C1、电容C6和电感L1的一端均连接至12V直流电源上，电容C6的另一端接地，电容C1和电感L1的另一端相连之后分别与电容C7和晶体管的第一引脚相连，晶体管的第二引脚与电阻R1相连，晶体管的第三引脚与电阻R2相连，且电阻R1和电阻R2的另一端接地，主控单元所输入的PWM信号则从电阻R1的非接地端给入，两个二极管正负极顺次相连组成一个环路，两个肖特基二极管正负极顺次相连组成一个环路，电容C7的另一端分别与两个二极管构成的环路的一个引出端、电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接地，两个二极管构成的环路的另一个引出端与超声波发射传感器的一个引脚，以及电阻R3和电阻R4的一端相连，电阻R3和超声波发射传感器的另一端都接地，电阻R4的另一端与两个肖特基二极管所组成环路的一个引出端相连，两个肖特基二极管所组成环路的另一个引出端接地。3.根据权利要求1所述的基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，所述滤波放大电路包括两个运算放大器、两个二极管、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、电容C4及电容C5，其中两个运算放大器的型号为MAX4416，两个运算放大器分别为运算放大器A、运算放大器B，二极管型号为BAV99，电阻R6的一端同时接入模拟信号的输入端和电阻R9的一端，运算放大器A的2脚连接于电阻R6的另一端、电阻R10的一端以及两个串联连接二极管的正向输入端，运算放大器A的3脚与电容C3的一端、电阻R8的一端以及电阻R7的一端相连，其中电阻R7的另一端接2.5V的直流电源，电阻R8和电容C3的另一端均接地，电阻R10的另一端与两个串联连接二极管的输出端同时接入电阻R11的一端，同时电阻R11的另一端与电阻R9的另一端、电阻R13的一端、电容C5的一端和运算放大器B的6脚，电阻R13与电容C5的另一端同时接入运算放大器B的7脚，运算放大器B的5脚同时连接电阻R12和电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电阻R12的另一端接入12V的直流电源，运算放大器B的7脚则输出经放大滤波处理后的超声波信号。4.根据权利要求1所述的基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，所述主控芯片所用型号为STM32F030。5.根据权利要求1所述的基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，所述超声波驱动电路、滤波放大电路、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元布设在电路板上，该电路板设置在底座内部。6.一种利用权利要求1-5所述的基于多发多收超声波传感器的测风装置进行风速风向测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤101：温湿度补偿单元将其检测的实时环境温湿度数据传给主控单元；主控单元根据所检测的实时环境温湿度值的变化来判断温湿度补偿单元中的温度检测模块和/或湿度检测模块是否出现故障，若温度检测模块和/或湿度检测模块无故障，主控单元根据温湿度补偿单元所测量的温湿度值来校正超声波传播速度，若温度检测模块和/或湿度检测模块出现故障，则主控单元控制报警单元发出第二报警信号；步骤102：建立超声波传感器阵列结构；所述超声波传感器阵列包括用于发射超声波信号的两个超声波发射传感器，六个用于接收超声波信号的超声波接收传感器，主控单元控制两个超声波发射传感器在相等的时间间隔T内交替发射同频率的超声波信号；两个超声波发射传感器分别为超声波发射传感器A和超声波发射传感器B，超声波发射传感器A作为发射阵元A，超声波发射传感器B作为发射阵元B；六个超声波接收传感器作为六个接收阵元，六个接收阵元分别为接收阵元CA1、接收阵元CA2、接收阵元CA3、接收阵元CB1、接收阵元CB2、接收阵元CB3，所述接收阵元CA1、接收阵元CA2及接收阵元CA3分别与发射阵元A连线之间的夹角为45°，所述接收阵元CB1、接收阵元CB2及接收阵元CB3分别与发射阵元B连线之间的夹角为45°；所述接收阵元CA1、接收阵元CA2、接收阵元CA3及发射阵元A组成超声波传感器子阵列AC；所述接收阵元CB1、接收阵元CB2、接收阵元CB3及发射阵元B组成超声波传感器子阵列BC；步骤103：以步骤102中所述超声波传感器子阵列AC中的接收阵元CA1为参考阵元，获取所述的超声波传感器子阵列AC中发射阵元A到达所述的超声波传感器子阵列AC中各个接收阵元时，相对于所述的超声波传感器子阵列AC中发射阵元A到达所述的超声波传感器子阵列AC中参考阵元CA1的时间延迟数据；步骤104：以步骤102中所述超声波传感器子阵列BC中的接收阵元CB1为参考阵元，获取所述的超声波传感器子阵列BC中发射阵元B到达所述的超声波传感器子阵列BC中各个接收阵元时，相对于所述的超声波传感器子阵列BC中发射阵元B到达所述的超声波传感器子阵列BC中参考阵元CB1的时间延迟数据；步骤105：主控单元采样并储存超声波传感器子阵列AC和超声波传感器子阵列BC所接收的含有风速风向信息的超声波...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新波，朱阁彦，孙子凤，贾云龙，李厚禹，刘亚周，刘帅，于润泽，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22