一種二維反射式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)速風(fēng)向測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二維反射式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀 及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)速風(fēng)向儀在氣象、民航、公路、農(nóng)業(yè)和新能源領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。目前較 多使用的是機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀，它主要是通過風(fēng)力帶動葉輪轉(zhuǎn)動獲得基本測量信息，將葉 輪轉(zhuǎn)動的角速度或葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，并以此測算出風(fēng)速。但這種風(fēng)速風(fēng)向儀對測 量環(huán)境要求比較高，而且由于未解決儀器密封問題，因此在北方沙塵暴天氣中無法正常工 作，在低溫環(huán)境下還會因結(jié)冰而將運(yùn)動部件卡死；同時，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀由于存在較多運(yùn) 動部件，導(dǎo)致運(yùn)動部件磨損快而縮短了使用壽命；此外，由于受機(jī)械結(jié)構(gòu)及測量原理的限 制，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀的靈敏度較低。現(xiàn)有的基于時差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀大多采用分 時原則，即一對超聲波傳感器輪流發(fā)送、接收信號，需要的測量次數(shù)多，并且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 往往由于多次測量導(dǎo)致測量結(jié)果有較大誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種二維反射式超聲波風(fēng)速 風(fēng)向儀裝置及測量方法，具有測量過程簡便、結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種二維反射式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，包括：控制單元、數(shù) 據(jù)處理單元、風(fēng)速風(fēng)向測量單元、方向校準(zhǔn)單元、溫度補(bǔ)償單元、氣壓補(bǔ)償單元、機(jī)殼及立 柱；
[0005] 風(fēng)速風(fēng)向測量單元，包括超聲波發(fā)射器、超聲波接收器和計(jì)時器模塊，控制單元輸 出具有一定占空比的方波信號至風(fēng)速風(fēng)向測量單元，控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號； 風(fēng)速風(fēng)向測量單元將超聲波回波信號經(jīng)過濾波、放大、比較處理后得到方波信號，并將其送 至控制單元，超聲波發(fā)射器模塊與超聲波接收器模塊相連，超聲波接收器模塊與計(jì)時器模 塊相連；
[0006] 超聲波發(fā)射器，用于發(fā)射超聲波信號以進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測量，它由方波信號發(fā)生 電路、超聲波驅(qū)動電路和超聲波傳感器組成；方波信號發(fā)生電路產(chǎn)生用于驅(qū)動超聲波傳感 器工作所需的間隔方波信號；超聲波驅(qū)動電路用于驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號；超 聲波發(fā)射傳感器為一體化超聲波發(fā)射傳感器，即一體化探頭，發(fā)射超聲波并接收一路超聲 波回波信號；超聲波接收器，用于接收超聲波回波信號以進(jìn)行后續(xù)處理，它包括四個超聲波 接收傳感器、四路鉗位保護(hù)電路和四路超聲波回波信號處理電路；四個超聲波接收傳感器 為非一體化探頭，接收反射超聲波回波信號；四路鉗位保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)對超聲波驅(qū)動電路和 超聲波回波信號處理電路的隔離；四路超聲波回波信號處理電路用于對超聲波回波信號進(jìn) 行處理，使處理后的超聲波回波信號成為控制單元能夠處理的信號；計(jì)時器模塊，利用控制 單元的計(jì)時功能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)超聲波發(fā)射器工作時開始計(jì)時，超聲波接收器工作時通過中斷停 止計(jì)時；
[0007] 方向校準(zhǔn)單元，用于確定基準(zhǔn)方向，此基準(zhǔn)方向?qū)⒆鳛樵O(shè)備安裝時的參考方向，同 時也對風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，使其與實(shí)際地理方向一致，方向校準(zhǔn)單元由數(shù)字羅盤和磁敏二 極管組成，控制單元運(yùn)用I 2c總線控制方向校準(zhǔn)單元對當(dāng)?shù)卮艌鰪?qiáng)度進(jìn)行測量，方向校準(zhǔn) 單元將測量得到的磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳送至控制單元；數(shù)字羅盤和磁敏二極管均與控制單元相 連；
[0008] 溫度補(bǔ)償單元由溫度檢測模塊和加熱模塊組成，它用于對設(shè)備進(jìn)行溫度補(bǔ)償以保 證風(fēng)速風(fēng)向儀在寒冷環(huán)境下也能正常工作；溫度補(bǔ)償單元將檢測的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)傳送至控 制單元，控制單元在溫度低于設(shè)定的閾值時控制加熱模塊對設(shè)備進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度檢測 模塊和加熱模塊分別與控制單元相連；
[0009] 氣壓補(bǔ)償單元由氣壓傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊組成，氣壓傳感器實(shí)時測量的氣壓數(shù) 據(jù)，由數(shù)據(jù)采集模塊對測量的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行修正與優(yōu)化；控制單元運(yùn)用I 2c總線控制氣壓補(bǔ) 償單元對實(shí)時氣壓進(jìn)行測量，氣壓補(bǔ)償單元將測量得到的氣壓數(shù)據(jù)傳送至控制單元；
[0010] 控制單元，與數(shù)據(jù)處理單元相連，進(jìn)行測量過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的處理并得出最終的 風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)；與風(fēng)速風(fēng)向測量單元相連，控制超聲波的發(fā)射與接收，并通過中斷來啟動和 關(guān)閉計(jì)時器模塊，得到超聲波傳播時間；控制單元與方向校準(zhǔn)單元相連，確定基準(zhǔn)方向，地 理北極即地磁南極方向，用于對風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，使風(fēng)向數(shù)據(jù)與實(shí)際風(fēng)向一致；控制單元 與溫度補(bǔ)償模塊相連，通過接收溫度傳感器的數(shù)據(jù)來判斷是否開啟加熱電路，使設(shè)備在溫 度較低的情況下仍能正常工作；控制單元與氣壓補(bǔ)償單元相連，通過接收氣壓傳感器的數(shù) 據(jù)來對風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到不同氣壓環(huán)境下的真實(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)；
[0011] 數(shù)據(jù)處理單元，接收控制單元的方波驅(qū)動信號、超聲波回波信號、溫度測量數(shù)據(jù)、 磁場方向數(shù)據(jù)和氣壓測量數(shù)據(jù)；對于控制單元發(fā)送的方波驅(qū)動信號，數(shù)據(jù)處理單元將其分 頻后送入三極管和變壓器組成的驅(qū)動電路，驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)送超聲波；對于超聲波回 波信號，數(shù)據(jù)處理單元將其濾波、放大、比較處理后送入控制單元。對于溫度、磁場、氣壓測 量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理單元將從相應(yīng)傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大處理后送入控制單元；
[0012] 機(jī)殼包括上機(jī)殼和下機(jī)殼，上機(jī)殼與下機(jī)殼通過支架相連；下機(jī)殼下方設(shè)有安裝 立柱，用于支撐固定作用；控制單元、數(shù)據(jù)處理單元、風(fēng)速風(fēng)向測量單元、方向校準(zhǔn)單元、溫 度補(bǔ)償單元和氣壓補(bǔ)償單元均放置在下機(jī)殼中，四個超聲波接收傳感器，位于下機(jī)殼同一 圓周上且相互間隔90度，即四個超聲波接收傳感器內(nèi)嵌在下機(jī)殼中并位于同一圓周的四 點(diǎn)上，相互間隔90度角，一體化超聲波發(fā)射傳感器也內(nèi)嵌在下機(jī)殼中，且位于圓心位置；上 機(jī)殼中心，即正對一體化超聲波發(fā)射傳感器的位置為凸面，用于反射超聲波脈沖信號。
[0013] 所述控制單元包括ARMHDMI控制器、RS485接口模塊、存儲模塊和電源模塊； RS485接口模塊、存儲模塊和電源模塊均與ARMHDMI控制器相連接；ARMHDMI控制器用于 對設(shè)備各模塊發(fā)送指令，RS485接口模塊用于數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，存儲模塊用于對有效數(shù)據(jù) 的存儲，電源模塊用于對設(shè)備各模塊進(jìn)行供電。
[0014] -種利用上述風(fēng)速風(fēng)向儀進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測量的方法，包括以下步驟：
[0015] (1)溫度檢測模塊將通過溫度傳感器測量得到的實(shí)時環(huán)境溫度數(shù)據(jù)傳給控制單 元，控制單元根據(jù)計(jì)算并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較來確定是否開啟加熱模塊，若環(huán)境溫度低 于設(shè)定的閾值，則開啟加熱電路，對設(shè)備，即超聲波傳感器區(qū)域進(jìn)行加熱，以保證設(shè)備在較 低溫度下仍能正常工作；
[0016] (2)控制單元發(fā)送方波信號并開始計(jì)時，此方波信號經(jīng)分頻后送入三極管和變壓 器組成的驅(qū)動電路，驅(qū)動一體化超聲波發(fā)射傳感器發(fā)送超聲波；
[0017] (3)當(dāng)回波信號分別被超聲波接收器接收，接收到的信號分別經(jīng)各自的后續(xù)信號 處理電路進(jìn)行濾波、放大、比較處理，產(chǎn)生各自對應(yīng)的計(jì)時器中斷停止信號，分別獲得超聲 波信號從發(fā)送到被各路超聲波接收器接收到所經(jīng)過的時間，記T1為一體化超聲波傳感器 的發(fā)射、接收時間，T2-T5分別為四個（東西南北四個方向的）超聲波傳感器的接收時間；
[0018] (4)控制單元通過氣壓補(bǔ)償單元和方向校準(zhǔn)單元獲得氣壓數(shù)據(jù)和磁場方向數(shù)據(jù)來 進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向校正；
[0019] (5)風(fēng)速值在X、Y兩個垂直方向上的風(fēng)速分量值為：
[0023] 根據(jù)矢量合成的原理，可以得出實(shí)際風(fēng)速V和風(fēng)向a的值：
[0026] 其中，D為下機(jī)殼圓心與上機(jī)殼凸面的垂直距離，R為下機(jī)殼四個接收傳感器所在 圓周的半徑，0為接收傳感器的超聲波路徑與下機(jī)殼平面的夾角。
[0027] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0028] (1)本發(fā)明超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀采用一個一體化超聲波傳感器和四個超聲波接收傳