超声波测风传感器和超声波测风系统技术方案

本发明专利技术提供了一种超声波测风传感器和超声波测风系统，涉及超声波测风传感器的技术领域，四路信号驱动单元激励换能器工作；预处理单元在微控制单元的控制下对两次反射信号进行预处理，得到两次反射序列；微控制单元对两次反射序列进行评估，判断接收到的两次反射信号是否符合计算条件，对两次反射都符合计算条件的信号序列进行互相关运算，获取超声波在空气里的飞度时间，重复以上过程分别获取四个换能器激励后的超声波在空气中的飞度时间，再利用时差法计算获取二维平面里的风速风向数据。通过数据输出单元将风速、风向等信号输出，可极大减少无效序列参与计算，既节省了计算时间，同时也增强了风速风向输出数据的快速性、稳定性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
超声波测风传感器和超声波测风系统
本专利技术涉及超声波测风传感器
，尤其是涉及一种超声波测风传感器和超声波测风系统。
技术介绍
在各类气象要素中，风是最活跃的要素之一，风速的测量被广泛应用于军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面。常用的风速测量技术有机械式测量、皮托管测量、热线热膜测量、激光多普勒测量、超声波测量等。而超声波测量方法以其独有的测量范围宽、测量精度高、测量速度快、启动风速低、结构简单、抗振动、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点，而倍受人们青睐，成为目前风速仪的主流发展方向。任何时候，稳定、快速、可靠、宽范围、高精度都是任何风速风向传感器的设计要求。目前的超声波测风传感器多采用时差估算方法获得风速和风向，但由于传感器的结构与成本限制，其数字信号处理能力较弱，误差因素影响较多，且此种时差估算方法直接取样收发序列后按照互相关函数的定义进行计算，计算量大，实际场景中风向和风速可能实时变化，因此，该方式准确性和实时性都很难保证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超声波测风传感器和超声波测风系统，通过对两次反射序列的预评估，和可编程放大器放大倍数的预设置，可极大减少无效序列参与计算，节省了计算时间，增强了风速风向输出数据的快速性、稳定性和可靠性。配合频域互相关计算，进一步提高了风速风向输出数据的快速性。第一方面，本专利技术实施例提供了一种超声波测风传感器，包括换能装置和电路板，所述电路板上设置有微控制单元、四路信号驱动单元和预处理单元，以及数据输出单元所述换能装置包括四个换能器；所述微控制单元分别与所述四路信号驱动单元和所述预处理单元相连接；所述四路信号驱动单元接收所述微控制单元的激励控制信号后，激励换能器工作；所述预处理单元，在所述微控制单元的控制下从所述换能器接收到两次反射信号，对两次反射信号进行预处理后，得到两次反射序列；所述微控制单元，对所述两次反射序列进行评估，判断接收到的所述两次反射序列是否符合计算条件，对都符合的所述两次反射序列进行频域里的互相关运算，获取超声波在空气里的飞度时间，对不符合的所述两次反射序列，在饱和失真或者截止失真的情况下，调整所述预处理单元，直至下一周期获得的两次反射序列符合计算条件，重复以上过程分别获取四个换能器激励后的超声波在空气中的飞度时间，再利用时差法计算获取二维平面里的风速测量结果，通过所述数据输出单元将所述风速测量结果输出。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述电路板上还设置有多路开关，与所述微控制单元相连接，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与所述换能装置之间的通路。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述换能装置包括反射面和呈十字分布的四个换能器；所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第一激励控制信号，激励第一目标换能器工作；所述多路开关，接收所述微控制单元的第一切换控制信号，开启所述预处理单元与第二目标换能器之间的通路，所述第二目标换能器设置在所述第一目标换能器对面；延时后再开启所述预处理单元与第一目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号；和/或，所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第二激励控制信号，激励所述第二目标换能器工作；所述多路开关，接收所述微控制单元的第二切换控制信号，开启所述预处理单元与所述第一目标换能器之间的通路；延时后再开启所述预处理单元与第二目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号；和/或，所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第三激励控制信号，激励第三目标换能器工作；所述多路开关，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与第四目标换能器之间的通路，所述第四目标换能器设置在所述第三目标换能器对面；延时后再开启所述预处理单元与第三目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号；和/或，所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第四激励控制信号，激励第四目标换能器工作；所述多路开关，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与所述第三目标换能器之间的通路。延时后再开启所述预处理单元与第四目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述预处理单元包括可编程放大器、带通滤波单元和模数转换单元；所述可编程放大器，分别与所述多路开关和所述微控制单元相连接，对从所述换能装置接收的两次反射信号进行放大操作，获得到两次高斯波包络下的正弦波的模拟信号；所述带通滤波单元，与所述可编程放大器相连接，对放大后的所述两次高斯波包络下的正弦波的模拟信号进行滤波处理；所述模数转换单元，与所述带通滤波单元相连接，对过滤后的模拟信号进行数字化采样以获取所述微控制单元能识别的两次反射序列，所述两次反射序列包括两次反射的数字序列。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述微控制单元还用于对不符合的所述两次反射序列，若是饱和失真或者截止失真则由所述微控制单元调整所述可编程放大器的放大倍数，直至下一周期可获得符合计算条件的所述两次反射序列。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述微控制单元还用于对两次反射序列中包络下的正弦波峰值出现的饱和失真和截止失真信号进行剔除，并对一次反射序列中的高斯波包络下的多个正弦波波峰与波谷之间的间隔时长远超过正弦波半周期时长的异常信号进行剔除。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，还包括底板，所述换能器按照预设角度设置在所述底板上。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述模数转换单元的采样频率基于飞度时间精度进行设置，所述飞度时间用于计算所述风速测量结果，所述风速测量结果为二维的平面风速数值和风向角度。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述四路信号驱动单元还用于产生脉冲宽度调制方波PWM波激励所述换能装置工作。第二方面，本专利技术实施例还提供一种超声波测风系统，包括如上所述的超声波测风传感器以及与所述超声波测风传感器相连接的上位机。本专利技术实施例带来了一种超声波测风传感器和超声波测风系统，在微控制单元的控制下，四路信号驱动单元接收相应激励控制信号，触发换能装置工作，预处理单元对换能装置输出的信号进行放大滤波等预处理，微控制单元通过模数转换单元再对预处理后的信号进行数字化采样以获取微控制单元能识别的数字序列。微控制单元通过对两次反射获得的数字序列进行评估，剔除异常信号，预置可编程放大器的放大倍数，再通过频域里实现互相关函数获取飞度时间，实现快速、稳定、准确的风速风向在二维平面里的合成，通过输出单元实现输出。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波测风传感器，其特征在于，包括换能装置和电路板，所述电路板上设置有微控制单元、四路信号驱动单元和预处理单元，以及数据输出单元所述换能装置包括四个换能器；/n所述微控制单元分别与所述四路信号驱动单元和所述预处理单元相连接；/n所述四路信号驱动单元接收所述微控制单元的激励控制信号后，激励换能器工作；所述预处理单元，在所述微控制单元的控制下从所述换能器接收到两次反射信号，对两次反射信号进行预处理后，得到两次反射序列；所述微控制单元，对所述两次反射序列进行评估，判断接收到的所述两次反射序列是否符合计算条件，对都符合的所述两次反射序列进行频域里的互相关运算，获取超声波在空气里的飞度时间，对不符合的所述两次反射序列，在饱和失真或者截止失真的情况下，调整所述预处理单元，直至下一周期获得的两次反射序列符合计算条件，重复以上过程分别获取四个换能器激励后的超声波在空气中的飞度时间，再利用时差法计算获取二维平面里的风速测量结果，通过所述数据输出单元将所述风速测量结果输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种超声波测风传感器，其特征在于，包括换能装置和电路板，所述电路板上设置有微控制单元、四路信号驱动单元和预处理单元，以及数据输出单元所述换能装置包括四个换能器；
所述微控制单元分别与所述四路信号驱动单元和所述预处理单元相连接；
所述四路信号驱动单元接收所述微控制单元的激励控制信号后，激励换能器工作；所述预处理单元，在所述微控制单元的控制下从所述换能器接收到两次反射信号，对两次反射信号进行预处理后，得到两次反射序列；所述微控制单元，对所述两次反射序列进行评估，判断接收到的所述两次反射序列是否符合计算条件，对都符合的所述两次反射序列进行频域里的互相关运算，获取超声波在空气里的飞度时间，对不符合的所述两次反射序列，在饱和失真或者截止失真的情况下，调整所述预处理单元，直至下一周期获得的两次反射序列符合计算条件，重复以上过程分别获取四个换能器激励后的超声波在空气中的飞度时间，再利用时差法计算获取二维平面里的风速测量结果，通过所述数据输出单元将所述风速测量结果输出。


2.根据权利要求1所述的超声波测风传感器，其特征在于，所述电路板上还设置有多路开关，与所述微控制单元相连接，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与所述换能装置之间的通路。


3.根据权利要求2所述的超声波测风传感器，其特征在于，所述换能装置包括反射面和呈十字分布的四个换能器；
所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第一激励控制信号，激励第一目标换能器工作；
所述多路开关，接收所述微控制单元的第一切换控制信号，开启所述预处理单元与第二目标换能器之间的通路，所述第二目标换能器设置在所述第一目标换能器对面；延时后再开启所述预处理单元与第一目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号；
和/或，
所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第二激励控制信号，激励所述第二目标换能器工作；
所述多路开关，接收所述微控制单元的第二切换控制信号，开启所述预处理单元与所述第一目标换能器之间的通路；延时后再开启所述预处理单元与第二目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号；
和/或，
所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第三激励控制信号，激励第三目标换能器工作；
所述多路开关，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与第四目标换能器之间的通路，所述第四目标换能器设置在所述第三目标换能器对面；延时后再开启所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆洋，汪铁保，张宾，
申请(专利权)人：上海南华机电有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31