一种超声波三维风向风速传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种超声波三维风向风速传感器，其包括：一个传感器主体；第一、第二、第三探头连接杆；第一对、第二对、第三对超声波探头，第一对超声波探头通过第一探头连接杆正对设置于第一测量方向；第二对超声波探头通过第二探头连接杆正对设置于第二测量方向；第三对超声波探头通过第三探头连接杆正对设于第三测量方向；三个测量方向构成三维空间。本发明专利技术的超声波三维风向风速传感器，其通过探头连接杆的设置，使得其可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非接触式超声波测量三维立体空间风向风速装置，尤其是能够同时以高精度、宽量程测量三维空间风向和风速瞬时值的超声波三维风向风速传感器，能够精密测量三维风速、风向和声温数据应用。
技术介绍
风向风速测量是气象、农业和工业领域需要测量的重要参数之一，目前，测量风向风速的方式主要是机械式测量，如风杯和风向标，机械式测量方法存在如下不足：需要的启动风速大、机械磨损大、瞬时风速具有惯性误差等弊端，导致其对低于启动风速的较小风速无法测量、测量数据也难以体现出风速的变化。上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种超声波三维风向风速传感器，其可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，并具有更高的分辨率和更低的误差率。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种超声波三维风向风速传感器，其包括：一个传感器主体；第一探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；第一对超声波探头，包括第一超声波探头和第二超声波探头，二者设于第一探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的测量平面上的第一测量方向正对设置；第二探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；第二对超声波探头，包括第三超声波探头和第四超声波探头，二者设于第二探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的所述测量平面上的第二测量方向正对设置，第二测量方向与第一测量方向具有预定夹角α；第三探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端具有两个分支端，两个分支端分别延伸至传感器主体的第一侧和与第一侧相反的第二侧；以及第三对超声波探头，包括第五超声波探头和第六超声波探头，二者设于第三探头连接杆的第一分支端和第二分支端，并在与所述测量平面呈预定夹角β的第三测量方向正对设置。通过探头连接杆的设置，使得超声波探头处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。实施时，可以先利用第一超声波探头接收第二超声波探头发射的超声波，再利用第二超声波探头接收第一超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第一测量方向的参数；第三超声波探头接收第四超声波探头发射的超声波，第四超声波探头接收第三超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第二测量方向的参数；第五超声波探头接收第六超声波探头发射的超声波，第六超声波探头接收第五超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第三测量方向的参数；结合第一测量方向、第二测量方向和第三测量方向的参数得到瞬时三维立体风向风速。具体的，三维风向风速可以按如下方法计算得到：设第一测量方向(例如X或Y或Z)的两个超声波探头间的距离为d，顺风时二者间的传输时间为t12，逆风时二者间的传输时间为t21，风速为Vw，超声波传播速度为VS，可得：化简可得风速Vw：化简可得声速VS：超声波在空气中传播速度C(m/s)与温度T(℃)的关系式为:将根据固定轴距和测量时间计算得出的声速值带入式(5)，便可计算出声温值。单轴风速矢量计算完成后，再利用该风速通过计算来合成矢量风速和风向，平面内角度计算分为四个象限，即0～90°、91～180°、181～270°、271～359°，单轴风速定义为：东西轴VEW、南北轴VSN，矢量风向为D；可按式(6)计算得到平面矢量风速：可按式(7)-式(10)计算平面矢量风向：若在0～90°象限内：若在91～180°象限内：若在181～270°象限内：若在271～359°象限内：用平面内矢量风速和风向再加入Z轴的矢量风速，即为空间三维的风速风向的表示。本专利技术的一个实施例中，第一超声波探头和第二超声波探头之间的距离、第三超声波探头和第四超声波探头之间的距离、第五超声波探头和第六超声波探头之间的距离三者相等，借以简化计算，提高测量精度。本专利技术的一个实施例中，第一探头连接杆为两个，分别连接于传感器主体。本专利技术的一个实施例中，第二探头连接杆为两个，分别连接于传感器主体。本专利技术的一个实施例中，第一、第二、第三探头连接杆与传感器主体的连接处设置有防水胶圈。本专利技术的一个实施例中，第一探头连接杆整体呈C型。较佳的，第一探头连接杆具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于传感器主体，超声波探头连接于第四延伸段。其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°。本专利技术的一个实施例中，第二探头连接杆整体呈C型。较佳的，第二探头连接杆具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于传感器主体，超声波探头连接于第四延伸段。其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°。本专利技术的一个实施例中，第三探头连接杆整体呈Y型，其中，第一分支端整体呈C型，第二分支端整体呈C型。较佳的，第三探头连接杆具有上下轴支撑杆、上下轴支杆连接节，上下轴支撑杆一端与传感器主体连接，另一端与上下轴支杆连接节连接，第一分支端具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于上下轴支杆连接节的第一端(较佳的，二者的连接处设置有防水胶圈)，超声波探头连接于第四延伸段(第二分支端可以与第一分支端对称设置于上下轴支杆连接节的第二端)。其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°。本专利技术的一个实施例中，预定夹角α的角度为90°，借以简化计算，提高处理速度，提高监测频率。本专利技术的一个实施例中，预定夹角β的角度为90°，借以简化计算，提高处理速度，提高监测频率。本专利技术的一个实施例中，传感器主体设有：核心处理单元；脉冲发射模块，设于核心处理单元与超声波探头之间，其PWM脉冲分时切换模拟开关模块与核心处理单元连接，其“H”桥驱动脉冲变压器模块设于PWM脉冲分时切换模拟开关模块与超声波探头之间；回波接收模块，设于超声波探头与核心处理单元之间，其回波接收分时切换模拟开关模块与超声波探头连接，其回波处理模块设于回波接收分时切换模拟开关模块与核心处理单元之间，其中，回波处理模块中具有全检波和微分模块。较佳的，回波处理模块还包括回波放大和滤波模块。本专利技术的一个实施例中，其传感器主体还设有分区隔离稳压模块，核心处理单元通过分区隔离稳压模块接入输入电压。本专利技术的一个实施例中，其传感器主体还设有数字转换模块，核心处理单元通过数字转换模块输出信号。本专利技术的一个实施例中，全检波和微分模块包括：运算放大器U1C，其反相输入端通过电阻4连接回波信号输入端1接入放大后的回波信号Echo_Sign，其同相输入端通过运放端偏置电阻14连接运放端偏置电压接入端15；检波二极管12，其负极连接运算放大器U1C的反相输入端，正极连接运算放大器U1C的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波三维风向风速传感器，其特征在于，其包括：一个传感器主体；第一探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；第一对超声波探头，包括第一超声波探头和第二超声波探头，二者设于第一探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的测量平面上的第一测量方向正对设置；第二探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；第二对超声波探头，包括第三超声波探头和第四超声波探头，二者设于第二探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的所述测量平面上的第二测量方向正对设置，第二测量方向与第一测量方向具有预定夹角α；第三探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端具有两个分支端，两个分支端分别延伸至传感器主体的第一侧和与第一侧相反的第二侧；以及第三对超声波探头，包括第五超声波探头和第六超声波探头，二者设于第三探头连接杆的第一分支端和第二分支端，并在与所述测量平面呈预定夹角β的第三测量方向正对设置。

【技术特征摘要】
1.一种超声波三维风向风速传感器，其特征在于，其包括：一个传感器主体；第一探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；第一对超声波探头，包括第一超声波探头和第二超声波探头，二者设于第一探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的测量平面上的第一测量方向正对设置；第二探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；第二对超声波探头，包括第三超声波探头和第四超声波探头，二者设于第二探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的所述测量平面上的第二测量方向正对设置，第二测量方向与第一测量方向具有预定夹角α；第三探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端具有两个分支端，两个分支端分别延伸至传感器主体的第一侧和与第一侧相反的第二侧；以及第三对超声波探头，包括第五超声波探头和第六超声波探头，二者设于第三探头连接杆的第一分支端和第二分支端，并在与所述测量平面呈预定夹角β的第三测量方向正对设置。2.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一超声波探头接收第二超声波探头发射的超声波，再利用第二超声波探头接收第一超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第一测量方向的参数；第三超声波探头接收第四超声波探头发射的超声波，第四超声波探头接收第三超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第二测量方向的参数；第五超声波探头接收第六超声波探头发射的超声波，第六超声波探头接收第五超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第三测量方向的参数；结合第一测量方向、第二测量方向和第三测量方向的参数得到瞬时三维立体风向风速。3.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一超声波探头和第二超声波探头之间的距离、第三超声波探头和第四超声波探头之间的距离、第五超声波探头和第六超声波探头之间的距离三者相等。4.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一探头连接杆为两个，分别连接于传感器主体，第二探头连接杆为两个，分别连接于传感器主体，第三探头连接杆为一个，具有上下轴支撑杆、上下轴支杆连接节、第一分支端和第二分支端，其上下轴支撑杆连接于传感器主体，第一分支端和第二分支端通过上下轴支杆连接节连接于上下轴支撑杆。5.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一探头连接杆整体呈C型，第二探头连接杆整体呈C型，第三探头连接杆的第一分支端整体呈C型，第二分支端整体呈C型。6.如权利要求5所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一、第二探头连接杆具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金凯，
申请(专利权)人：北京雨根科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11