一种四探头三维风速风向传感器及风速测量方法技术

本发明专利技术公开一种四探头超声波三维风速传感器及风速测量方法，四个探头位于四面体的顶点，依次收发超声波；电路系统分为激励超声波探头电路与反馈信号接收电路，单片机发出激励信号经过功率放大，在开关选通发射模式时传递给超声波探头激发它产生超声波信号。激励信号同时作为start信号让计时芯片开始计时，接收端的接收到超声波信号之后经过放大、滤波和比较器后成为stop信号让计时芯片停止计时，并将时间信号传给单片机。本发明专利技术采用时差法测量速度，一个探头发射信号时，其余三个接收信号；并在四个探头都轮流收发之后将得到12个时间信号，先将四条棱上的速度计算出来，再建立空间正交坐标系，将风速再三个坐标轴上分解并合成得到最后的三维风速。得到最后的三维风速。得到最后的三维风速。

【技术实现步骤摘要】
一种四探头三维风速风向传感器及风速测量方法


[0001]本专利技术涉及超声波探头测量风速
，尤其是一种四探头超声波三维风速传感器及风速测量方法。

技术介绍

[0002]由于风速测量在生产生活中的重要性，各种风速测量仪器随之产生，超声波风速测量仪就是其中非常热门的一种。在实验声速的测量中，与其它仪器相比，超声波风速测量仪不需要人为干预，精度高，稳定性好，安装简单，维护方便。因此，对超声波风速测量仪的研究至关重要。
[0003]传统的三维风速风向传感器使用六个探头，构成一个八面体，好处是算法简单，可以直接得到三维坐标系中的六个风速；然而这种方法需要六个探头，批量生产时成本和功耗较大。
[0004]因此，本申请提出一种四探头的三维风速传感器。通过使用更精确的算法，将四面体棱边上所测量的风速合成到直角坐标系中，大大节省了成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术的专利技术目的是基于上述
技术介绍
的不足，提供了一种四探头三维风速风向传感器及风速测量方法，解决了传统三维风速传感器中功耗高、成本高的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种四探头超声波三维风速传感器，包括四个探头、计时芯片与单片机；所述四个探头所在平面构成四面体，四个探头轮流收发信号，其中一个探头发射信号的时候，其余三个探头均接收信号；所述计时芯片确定从一个探头发射超声波开始，到另一个探头接收超声波结束的时间差；所述单片机负责控制发射超声波的探头、负责接收信号的探头、与决定处于计时状态的芯片；所述单片机还负责将芯片发送的时间数据经过处理，得到三维风速。
[0008]进一步的，还包括双路选择开关、激励电路和接收电路；所述激励电路的输入端和输出端分别连接单片机和双路选择开关；所述接收电路的输入端和输出端分别连接双路选择开关和单片机；所述单片机控制双路选择开关选通接收模式还是发射模式。
[0009]进一步的，还包括功率放大器；功率放大器的输入端和输出端分别连接激励电路的输出端和双路选择开关。
[0010]进一步的，还包括放大滤波电路、比较器；放大滤波电路的输入端和输出端分别连接双路选择开关和比较器，比较器的输出端连接所述计时芯片的输入端。
[0011]进一步的，所述双路选择开关包括CD4052模拟开关芯片，所述单片机连接CD4052模拟开关芯片的控制端。
[0012]进一步的，所述计时芯片采用TDC
‑
GP22，与单片机通过SPI协议通信，由单片机读出时间信号。
[0013]进一步的，所述探头的中心频率为40kHz。超声波探头的本质是换能器，即将电压
信号转变为超声波信号，在脉冲电压的刺激下能产生40kHz的超声波，通过实验发现，作为接收探头时，也对40kHz的信号响应最大。这是因为超声波探头的重要组成结构就是压电晶片，压电晶片的共振频率是40kHz，当发射超声波信号时，加在探头上的交流电频率是40kHz，才能使输出功率最大；当超声波探头接收信号时，因为40kHz的信号能和压电晶片产生共振，所以频率在40kHz处有一个接收灵敏度的峰值。
[0014]基于上述四探头超声波三维风速传感器的风速测量方法，包括如下步骤：
[0015]步骤1：单片机向一个探头发送激励信号，激励该探头发出超声波，同时发送给该探头对应的计时芯片，开始计时；
[0016]步骤2：单片机给其余三个负责接收超声波的探头对应的计时芯片发送激励信号，表示计时开始；
[0017]步骤3：四个探头轮流收发信号，在一个探头发射信号的时候，其余三个均接收信号；每个计时芯片均记录N次时间数据，获得N*4个时间信号，并输入到单片机；
[0018]步骤4：单片机在四个探头都轮流收发信号之后，先计算四面体四条棱上的速度，再建立空间正交坐标系，将风速在三个坐标轴上分解并合成得到最后的三维风速。
[0019]进一步的，所述单片机采用时差法计算风速。
[0020]进一步的，风速的计算公式为：
[0021][0022]其中，L表示两个探头之间的距离，θ表示风速与两个探头连线之间的夹角，t
ab
表示超声波由探头a向探头b发射的传播时间，t
ba
表示超声波由探头b向探头a发射的传播时间。
[0023]本专利技术所采用时差法的原理如下：
[0024]超声波在流体中传播时，相对于静止的坐标系，比如两个探头，超声波脉冲在正向传输与反向传输时的速度是不一样的，这就导致了传播时间的不同。时差法测量流体速度就是通过在顺流和逆流时超声波传播时间的差值推导流体速度。
[0025]在流体的上游和下游分别安装一对超声波探头，设距离为L，超声波在静止流体中的传播速度为v，风速为v0。可以看到L与风速方向夹角为θ。那么当超声波从探头a发射至探头b，即风速方向与超声波传播方向相同的时候，超声波的传输速度为v+v0cosθ，那么顺流情况时超声波在L长度的传输时间为：
[0026][0027]改变超声波的收发，使风速方向与超声波传播方向相反时，超声波传输速度为v
‑
v0cosθ。此时的超声波从探头b传播至探头a的时间t
ba
为：
[0028][0029]得到时间差Δt＝t
ba
‑
t
ab
[0030][0031]实际情况下v0<<v，所以Δt近似为：
[0032][0033]可以推导出:
[0034][0035]然而超声波速v会受到环境的影响，在恶劣环境的情况下，不同温度、介质下都可能发生变化，如果超声波速度在公式中，会使风速计算不准确。因此本文利用一种算法，使超声波速从公式中剔除。
[0036][0037][0038]可以得到:
[0039][0040]公式中没有超声波速度，不会引入由超声波速度测量不准确而引起的误差。
[0041]本专利技术的四探头三维风速传感器的实现方法，包括如下步骤：使用四个中心频率为40kHz的超声波探头构成四面体，设计模型，确定尺寸和探头角度；根据设计的四面体模型设计实物，实物模型支架支撑四个超声波探头构成四面体，下面的基座用来放电路与STM32等硬件电路。
[0042]有益效果：(1)本专利技术通过用四个探头来代替传统传感器六探头三维测量风速风向的传感器，可以有效降低成本与器件的功耗。(2)超声波探头收发一体，每一条棱来回测量两次时间，可以减小温度对测量结果的干扰，不易出错，使得测量结果更为精确。
附图说明
[0043]图1是探头位置及结构模型。
[0044]图2是软件与数字电路系统示意图。
[0045]图3是本专利技术的整体系统流程图。
[0046]图4是TDC
‑
GP22测时模块工作流程。
[0047]图5是单片机程序流程图。
[0048]图6是本专利技术的实物立体结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，包括四个探头、计时芯片与单片机；所述四个探头所在平面构成四面体，四个探头轮流收发信号，其中一个探头发射信号的时候，其余三个探头均接收信号；所述计时芯片确定从一个探头发射超声波开始，到另一个探头接收超声波结束的时间差；所述单片机负责控制发射超声波的探头、负责接收信号的探头、与决定处于计时状态的芯片；所述单片机还负责将芯片发送的时间数据经过处理，得到三维风速。2.根据权利要求1所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，还包括双路选择开关、激励电路和接收电路；所述激励电路的输入端和输出端分别连接单片机和双路选择开关；所述接收电路的输入端和输出端分别连接双路选择开关和单片机；所述单片机控制双路选择开关选通接收模式还是发射模式。3.根据权利要求2所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，还包括功率放大器；功率放大器的输入端和输出端分别连接激励电路的输出端和双路选择开关。4.根据权利要求2所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，还包括放大滤波电路、比较器；放大滤波电路的输入端和输出端分别连接双路选择开关和比较器，比较器的输出端连接所述计时芯片的输入端。5.根据权利要求2所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，所述双路选择开关包括CD4052模拟开关芯片，所述单片机连接CD4052模拟开关芯片的控制端。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾亚宁，程丽帆，易真翔，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：