一种超声波风速风向测量装置及其测量误差补偿方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波风速风向测量装置及其测量误差补偿方法，涉及气象监测技术领域，其克服现有技术的超声波风速风向仪装置在海上气象观测过程中受环境的影响，船体倾斜工作角度受到偏移，影响测量精度，本发明专利技术采用DSP技术对系统整体电路进行改进，并增添了温度补偿等模块，后期建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法确定倾角与误差的对应关系，选择合适的算法进行误差的补偿与修正，得到理想的实验值，最后经过大量的实验数据验证方法的有效性与可行性。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波风速风向测量装置及其测量误差补偿方法
本专利技术涉及气象监测
，具体涉及一种超声波风速风向测量装置及其测量误差补偿方法。
技术介绍
近年来,电子信息技术日新月异，相对于传统的机械式风速风向仪易摩擦、损坏，存在启动风速和转动惯性，以及使用环境受到限制等缺点，超声波的风速风向仪得到广泛的使用。超声波测风方法主要有时差法、相关法、多普勒法、频率差法等,其中基于时差法的超声波风速风向仪具有时效性好、精度高、稳定性强等优点，广泛应用于科学实验和环境监测之中,尤其在气象领域。在我国大力推进海洋战略开发的背景下，对海洋的气象环境的监测尤其重要。相对于陆地气象观测，海上气象观测主要以海上浮标、气象观测船等方式为主。舰船搭载气象监测仪器可以实时观测船上各气象要素，但海上环境受风浪冲击影响较大。船体受海浪打击极易颠簸摇晃、造成仪器工作角度倾斜，产生较大的偏转与抖动。亟需一种能克服外力打击使仪器有效防抖的解决方案，比较典型的有“CN201810637527一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置及其角度自适应平衡调节方法”。超声波风速风向仪装置在工作测量时需要保持水平且参考方向不变的状态，且结构参数等要素影响下会产生阴影效应，容易导致测量数据不准确。现有技术中超声波测风装置存在的测量结果不精确问题仍需解决。
技术实现思路
为了克服现有技术的超声波风速风向仪装置在海上气象观测过程中受环境的影响，船体倾斜工作角度受到偏移，影响测量精度，本专利技术采用DSP技术对系统整体电路进行改进，并增添了温度补偿等模块，后期建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法确定倾角与误差的对应关系，选择合适的算法进行误差的补偿与修正，得到理想的实验值，最后经过大量的实验数据验证方法的有效性与可行性。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种超声波风速风向测量装置，包括安装座，所述安装座的四周均匀排列有四个支柱,所述四个支柱与安装座的连接处设有加强筋,四个支柱的顶端均固定有超声波换能器，且分别分布在同一水平面内垂直正交的两个轴线上,距离固定，安装座的上表面设置温度传感器,所述安装座上还设有通信接口。作为本专利技术一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述温度传感器包括温度检测电路和加热电路,温度检测电路包括热敏电阻,加热电路包括N-MOS三极管，检测电路检测仪器工作环境，并由加热电路进行实时温度补偿。作为本专利技术一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，还包含MCU微处理器、电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块、误差补偿单元、超声波驱动电路、超声波换能器模块；其中，所述电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块、误差补偿单元分别与MCU微处理器的相应端口电连接，所述MCU微处理器通过超声波驱动电路连接超声波换能器模块。作为本专利技术一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述超声波测风模块包括模拟开关、换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路，所述模拟开关依次经过换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路连接MCU微处理器。作为本专利技术一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述电源模块包括电压源和降压电路,降压电路包括稳压芯片,24V电压源DC-DC转换电路直接降压为5V，经AMS1117转换芯片降压输出3.3V电压,稳压芯片的输入端与接地端之间连接有0.1uF电容,输出端与接地端之间并联10uF电容，为MCU微处理器和各模块供电。作为本专利技术一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述滤波电路采用截止频率为180kHz的高通滤波器和截止频率为220kHz的低通滤波器组合成中心频率为200kHz、带宽为40kHz的带通滤波器。作为本专利技术一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述放大电路采用5532运放器二级放大。一种基于超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法,具体包含如下步骤；步骤1，建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法确定倾角与误差的对应关系；步骤2，采用最小二乘法进行曲线拟合，计算出不同区间空间倾角的误差补偿系数；步骤3，经过大量的实验数据统计分析，验证算法的可行性，进而有效解决了载体倾斜带来的测量不准确问题。作为本专利技术一种基于超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法的进一步优选方案，在步骤1中，以超声波风速风向仪的底平面建立风速风向矢量的三维空间模型，将空间上一点的风速变化值ΔV用(x0,y0,z0)表示，起点为坐标原点，终点为A；为向量在xoy平面的投影，γ为向量与xoy面的夹角，θ为与x轴正向的夹角；为向量在yoz平面的投影，β为向量与xoy面的夹角；对向量进行矢量分解可以得到：tanθ＝y0/x0,作为本专利技术一种基于超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法的进一步优选方案，在步骤2中，根据相应的区间角θ和空间倾角γ，不同区间的误差补偿公式系数不同，利用最小二乘法估计准则，通过试验数据得到n个样本误差表达式如下：…其中，Vε为此时角度风速的真实值，Vσ为对应角度下风速的测量值，ΔV为风速的变化值，单位均为m/s；β0、β1、β2、β3…βm为未知系数，上述线性方程组可以表示为：即Aβ＝ΔV，利用最小二乘法估计准则求解，最终的矩阵表达形式为：min||Aβ-ΔV||最后的最优解为：β＝(ATA)-1ATΔV；同理可求得风向：的最优解。本专利技术的技术效果和优点：1.本专利技术超声波换能器的支柱与安装座的连接处设有加强筋,可以防止风速过大而引起换能器的抖动，确保四个换能器位于同一的正交平面，已知超声波传播速度与绝对温度T的关系为C＝331.45+0.607T，温度传感器设置在安装座的外面,可以精确测量外界的冷暖气流,对超声波风速进行实时补偿；2.本专利技术硬件结构上采用32位的微处理器,满足了高速时钟信号的测量，对信号进行两级放大、滤波去噪处理后,峰值两侧基本呈对称，峰值点捕捉良好；且具有良好的抗干扰性和可靠性，电路设计合理，采样精度高。3.建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法找出倾角与误差的对应关系，采用最小二乘法进行拟合修正，并对大量的实验数据进行统计分析，可以得到相对比较准确的、接近风场风速风向的补偿值，验证了方法的有效性与可行性。附图说明图1是本专利技术超声波风速风向测量装置的结构示意图；图2是本专利技术超声波风速风向测量装置的原理框图；图3是信号放大电路模块示意图；图4是带通滤波电路原理图；图5是温度补偿模块示意图；图6是风速风向矢量的三维空间模型；图7未补偿与补偿后的风速误差比较图；图8未补偿与补偿后的风向误差比较图。附图标记为：1：安装座:；2：加强筋；3：支柱:；4：超声波换能器；5温度传感器；6：通信接口本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：包括安装座(1)，所述安装座(1)的四周均匀排列有四个支柱(3),所述四个支柱(3)与安装座(1)的连接处设有加强筋(2),四个支柱(3)的顶端均固定有超声波换能器(4)，且分别分布在同一水平面内垂直正交的两个轴线上,距离固定，安装座(1)的上表面设置温度传感器(5),所述安装座(1)上还设有通信接口(6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：包括安装座(1)，所述安装座(1)的四周均匀排列有四个支柱(3),所述四个支柱(3)与安装座(1)的连接处设有加强筋(2),四个支柱(3)的顶端均固定有超声波换能器(4)，且分别分布在同一水平面内垂直正交的两个轴线上,距离固定，安装座(1)的上表面设置温度传感器(5),所述安装座(1)上还设有通信接口(6)。


2.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述温度传感器(5)包括温度检测电路和加热电路,温度检测电路包括热敏电阻,加热电路包括N-MOS三极管，检测电路检测仪器工作环境，并由加热电路进行实时温度补偿。


3.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：还包含MCU微处理器、电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块、误差补偿单元、超声波驱动电路、超声波换能器模块；
其中，所述电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块、误差补偿单元分别与MCU微处理器的相应端口电连接，所述MCU微处理器通过超声波驱动电路连接超声波换能器模块。


4.根据权利要求3所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述超声波测风模块包括模拟开关、换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路，所述模拟开关依次经过换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路连接MCU微处理器。


5.根据权利要求3所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述电源模块包括电压源和降压电路,降压电路包括稳压芯片,24V电压源DC-DC转换电路直接降压为5V，经AMS1117转换芯片降压输出3.3V电压,稳压芯片的输入端与接地端之间连接有0.1uF电容,输出端与接地端之间并联10uF电容，为MCU微处理器和各模块供电。


6.根据权利要求4所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述滤波电路采用截止频率为180kHz的高通滤波器和截止频率为...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶小岭，陈畅，巩灿灿，姚锦松，刘威，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32