一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法，风速风向仪包括控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元和气压补偿单元；风速风向测量单元由超声波发射器、超声波接收器和计时器模块组成；方向校准单元由数字罗盘和磁敏二极管组成；温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成；气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成。本发明专利技术采用一个一体化超声波传感器发射并接收其中一路回波信号，四个接收传感器接收反射回波信号，五个传感器被安排在同一水平面上，只利用一次发射、接收的时间差即可计算出风速风向，且测量原理简单，提升了测量精度，延长了仪器的使用寿命，并且适用于各种恶劣的测量环境。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风速风向测量
，具体涉及一种二维反射式超声波风速风向仪 及测量方法。
技术介绍
风速风向仪在气象、民航、公路、农业和新能源领域都发挥着重要的作用。目前较 多使用的是机械式风速风向仪，它主要是通过风力带动叶轮转动获得基本测量信息，将叶 轮转动的角速度或叶轮的转数转化为电信号，并以此测算出风速。但这种风速风向仪对测 量环境要求比较高，而且由于未解决仪器密封问题，因此在北方沙尘暴天气中无法正常工 作，在低温环境下还会因结冰而将运动部件卡死；同时，机械式风速风向仪由于存在较多运 动部件，导致运动部件磨损快而缩短了使用寿命；此外，由于受机械结构及测量原理的限 制，机械式风速风向仪的灵敏度较低。现有的基于时差法的超声波风速风向仪大多采用分 时原则，即一对超声波传感器轮流发送、接收信号，需要的测量次数多，并且电路结构复杂， 往往由于多次测量导致测量结果有较大误差。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种二维反射式超声波风速 风向仪装置及测量方法，具有测量过程简便、结果准确的优点。 本专利技术的技术方案如下：一种二维反射式超声波风速风向仪，包括：控制单元、数 据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元、气压补偿单元、机壳及立 柱； 风速风向测量单元，包括超声波发射器、超声波接收器和计时器模块，控制单元输 出具有一定占空比的方波信号至风速风向测量单元，控制超声波发射器发射超声波信号； 风速风向测量单元将超声波回波信号经过滤波、放大、比较处理后得到方波信号，并将其送 至控制单元，超声波发射器模块与超声波接收器模块相连，超声波接收器模块与计时器模 块相连； 超声波发射器，用于发射超声波信号以进行风速风向的测量，它由方波信号发生 电路、超声波驱动电路和超声波传感器组成；方波信号发生电路产生用于驱动超声波传感 器工作所需的间隔方波信号；超声波驱动电路用于驱动超声波传感器发射超声波信号；超 声波发射传感器为一体化超声波发射传感器，即一体化探头，发射超声波并接收一路超声 波回波信号；超声波接收器，用于接收超声波回波信号以进行后续处理，它包括四个超声波 接收传感器、四路钳位保护电路和四路超声波回波信号处理电路；四个超声波接收传感器 为非一体化探头，接收反射超声波回波信号；四路钳位保护电路实现对超声波驱动电路和 超声波回波信号处理电路的隔离；四路超声波回波信号处理电路用于对超声波回波信号进 行处理，使处理后的超声波回波信号成为控制单元能够处理的信号；计时器模块，利用控制 单元的计时功能实现，当超声波发射器工作时开始计时，超声波接收器工作时通过中断停 止计时； 方向校准单元，用于确定基准方向，此基准方向将作为设备安装时的参考方向，同 时也对风向数据进行校正，使其与实际地理方向一致，方向校准单元由数字罗盘和磁敏二 极管组成，控制单元运用I 2c总线控制方向校准单元对当地磁场强度进行测量，方向校准 单元将测量得到的磁场强度数据传送至控制单元；数字罗盘和磁敏二极管均与控制单元相 连； 温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成，它用于对设备进行温度补偿以保 证风速风向仪在寒冷环境下也能正常工作；温度补偿单元将检测的实时温度数据传送至控 制单元，控制单元在温度低于设定的阈值时控制加热模块对设备进行温度补偿。温度检测 模块和加热模块分别与控制单元相连； 气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成，气压传感器实时测量的气压数 据，由数据采集模块对测量的风速数据进行修正与优化；控制单元运用I 2c总线控制气压补 偿单元对实时气压进行测量，气压补偿单元将测量得到的气压数据传送至控制单元； 控制单元，与数据处理单元相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的 风速风向数据；与风速风向测量单元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和 关闭计时器模块，得到超声波传播时间；控制单元与方向校准单元相连，确定基准方向，地 理北极即地磁南极方向，用于对风向数据进行校准，使风向数据与实际风向一致；控制单元 与温度补偿模块相连，通过接收温度传感器的数据来判断是否开启加热电路，使设备在温 度较低的情况下仍能正常工作；控制单元与气压补偿单元相连，通过接收气压传感器的数 据来对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风速数据； 数据处理单元，接收控制单元的方波驱动信号、超声波回波信号、温度测量数据、 磁场方向数据和气压测量数据；对于控制单元发送的方波驱动信号，数据处理单元将其分 频后送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动超声波传感器发送超声波；对于超声波回 波信号，数据处理单元将其滤波、放大、比较处理后送入控制单元。对于温度、磁场、气压测 量数据，数据处理单元将从相应传感器接收的数据进行滤波、放大处理后送入控制单元； 机壳包括上机壳和下机壳，上机壳与下机壳通过支架相连；下机壳下方设有安装 立柱，用于支撑固定作用；控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温 度补偿单元和气压补偿单元均放置在下机壳中，四个超声波接收传感器，位于下机壳同一 圆周上且相互间隔90度，即四个超声波接收传感器内嵌在下机壳中并位于同一圆周的四 点上，相互间隔90度角，一体化超声波发射传感器也内嵌在下机壳中，且位于圆心位置；上 机壳中心，即正对一体化超声波发射传感器的位置为凸面，用于反射超声波脉冲信号。 所述控制单元包括ARMHDMI控制器、RS485接口模块、存储模块和电源模块； RS485接口模块、存储模块和电源模块均与ARMHDMI控制器相连接；ARMHDMI控制器用于 对设备各模块发送指令，RS485接口模块用于数据的发送与接收，存储模块用于对有效数据 的存储，电源模块用于对设备各模块进行供电。 -种利用上述风速风向仪进行风速风向测量的方法，包括以下步骤： (1)温度检测模块将通过温度传感器测量得到的实时环境温度数据传给控制单 元，控制单元根据计算并与设定的阈值进行比较来确定是否开启加热模块，若环境温度低 于设定的阈值，则开启加热电路，对设备，即超声波传感器区域进行加热，以保证设备在较 低温度下仍能正常工作； (2)控制单元发送方波信号并开始计时，此方波信号经分频后送入三极管和变压 器组成的驱动电路，驱动一体化超声波发射传感器发送超声波； (3)当回波信号分别被超声波接收器接收，接收到的信号分别经各自的后续信号 处理电路进行滤波、放大、比较处理，产生各自对应的计时器中断停止信号，分别获得超声 波信号从发送到被各路超声波接收器接收到所经过的时间，记T1为一体化超声波传感器 的发射、接收时间，T2-T5分别为四个（东西南北四个方向的）超声波传感器的接收时间； (4)控制单元通过气压补偿单元和方向校准单元获得气压数据和磁场方向数据来 进行风速风向校正； (5)风速值在X、Y两个垂直方向上的风速分量值为： 根据矢量合成的原理，可以得出实际风速V和风向a的值： 其中，D为下机壳圆心与上机壳凸面的垂直距离，R为下机壳四个接收传感器所在 圆周的半径，0为接收传感器的超声波路径与下机壳平面的夹角。 本专利技术具有如下有益效果： (1)本专利技术超声波风速风向仪采用一个一体化超声波传感器和四个超声波接收传 当前第1页1&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维反射式超声波风速风向仪，其特征在于包括：控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元、气压补偿单元、机壳及立柱；风速风向测量单元，包括超声波发射器、超声波接收器和计时器模块，控制单元输出具有一定占空比的方波信号至风速风向测量单元，控制超声波发射器发射超声波信号；风速风向测量单元将超声波回波信号经过滤波、放大、比较处理后得到方波信号，并将其送至控制单元，超声波发射器模块与超声波接收器模块相连，超声波接收器模块与计时器模块相连；超声波发射器，用于发射超声波信号以进行风速风向的测量，它由方波信号发生电路、超声波驱动电路和超声波传感器组成；方波信号发生电路产生用于驱动超声波传感器工作所需的间隔方波信号；超声波驱动电路用于驱动超声波传感器发射超声波信号；超声波发射传感器为一体化超声波发射传感器，即一体化探头，发射超声波并接收一路超声波回波信号；超声波接收器，用于接收超声波回波信号以进行后续处理，它包括四个超声波接收传感器、四路钳位保护电路和四路超声波回波信号处理电路；四个超声波接收传感器为非一体化探头，接收反射超声波回波信号；四路钳位保护电路实现对超声波驱动电路和超声波回波信号处理电路的隔离；四路超声波回波信号处理电路用于对超声波回波信号进行处理，使处理后的超声波回波信号成为控制单元能够处理的信号；计时器模块，利用控制单元的计时功能实现，当超声波发射器工作时开始计时，超声波接收器工作时通过中断停止计时；方向校准单元，用于确定基准方向，此基准方向将作为设备安装时的参考方向，同时也对风向数据进行校正，使其与实际地理方向一致，方向校准单元由数字罗盘和磁敏二极管组成，控制单元运用I2C总线控制方向校准单元对当地磁场强度进行测量，方向校准单元将测量得到的磁场强度数据传送至控制单元；数字罗盘和磁敏二极管均与控制单元相连；温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成，它用于对设备进行温度补偿以保证风速风向仪在寒冷环境下也能正常工作；温度补偿单元将检测的实时温度数据传送至控制单元，控制单元在温度低于设定的阈值时控制加热模块对设备进行温度补偿。温度检测模块和加热模块分别与控制单元相连；气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成，气压传感器实时测量的气压数据，由数据采集模块对测量的风速数据进行修正与优化；控制单元运用I2C总线控制气压补偿单元对实时气压进行测量，气压补偿单元将测量得到的气压数据传送至控制单元；控制单元，与数据处理单元相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的风速风向数据；与风速风向测量单元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和关闭计时器模块，得到超声波传播时间；控制单元与方向校准单元相连，确定基准方向，地理北极即地磁南极方向，用于对风向数据进行校准，使风向数据与实际风向一致；控制单元与温度补偿模块相连，通过接收温度传感器的数据来判断是否开启加热电路，使设备在温度较低的情况下仍能正常工作；控制单元与气压补偿单元相连，通过接收气压传感器的数据来对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风速数据；数据处理单元，接收控制单元的方波驱动信号、超声波回波信号、温度测量数据、磁场方向数据和气压测量数据；对于控制单元发送的方波驱动信号，数据处理单元将其分频后送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动超声波传感器发送超声波；对于超声波回波信号，数据处理单元将其滤波、放大、比较处理后送入控制单元；对于温度、磁场、气压测量数据，数据处理单元将从相应传感器接收的数据进行滤波、放大处理后送入控制单元；机壳包括上机壳和下机壳，上机壳与下机壳通过支架相连；下机壳下方设有安装立柱，用于支撑固定作用；控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元和气压补偿单元均放置在下机壳中，四个超声波接收传感器，位于下机壳同一圆周上且相互间隔90度，即四个超声波接收传感器内嵌在下机壳中并位于同一圆周的四点上，相互间隔90度角，一体化超声波发射传感器也内嵌在下机壳中，且位于圆心位置；上机壳中心，即正对一体化超声波发射传感器的位置为凸面，用于反射超声波脉冲信号。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：康宇，崔凌云，陈守胜，胡峰，李泽瑞，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34