CN102478585A

CN102478585A - 超声波风速风向仪以及对应的多气象参数测量仪

Info

Publication number: CN102478585A
Application number: CN2010105616098A
Authority: CN
Inventors: 宾荣权; 孙泽翔
Original assignee: SHENZHEN FLYING-WIS INSTRUMENTS Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN FLYING-WIS INSTRUMENTS Co Ltd
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2012-05-30

Abstract

本发明涉及一种气象仪器仪表，具体公开了一种超声波风速风向仪以及对应的多气象参数测量仪。其中风速风向仪，包括设置于同一水平面上的四个超声波传感器，通过单片机运算控制电路控制四个超声波传感器发送或接收超声波，并记录超声波从发送到接收之间的时间，进而计算出实际风速与风向，避免了风杯的长时间机械转动所带来的磨损，从而延长了使用寿命。其中多气象参数测量仪，将风速风向仪、温度传感器、湿度传感器、压力传感器多个功能模块通过单片机运算控制电路集成在一起，使仪器整体结构简洁紧凑，从而使之安装使用更加便捷；而且，避免了传统测量***中的诸多机械运动部件，当然提高了仪器的稳定性与可靠性。

Description

超声波风速风向仪以及对应的多气象参数测量仪

技术领域

本发明属于气象仪器、仪表技术领域，具体涉及一种超声波风速风向仪以及对应的多气象参数测量仪。

背景技术

温度、湿度、大气压力、风速、风向是气象预报中的重要参数，目前对于风速、风向的测量仍沿用传统机械式的风杯风速仪、风向标，它不仅仅容易磨损使用寿命短，而且，维护的成本较高。

同时，现有的气象测试***，仍然是由温度测试仪、湿度测试仪、大气压力测试仪、风速仪、风向标几个独立仪器组合而成。那么，在安装时每个仪器都需要分别进行固定安装，因此，使用不太方便、工作量大。

发明内容

为了解决现有机械风杯式的风速仪、风向仪寿命短的问题，本发明的第一目的在于提供一种超声波风速风向仪；为了解决现有的气象测试***安装使用不方便的问题，本发明的第二目的在于提供一种多气象参数测量仪。

为实现上述第一发明目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种超声波风速风向仪，包括设置于同一水平面上的第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器；所述第一超声波传感器与第二超声波传感器所在直线和第三超声波传感器与第四超声波传感器所在直线相互垂直；在所述四个超声波传感器的信号输出端上连接有一模数(A/D)转换电路，用于将所述超声波传感器接收到的超声波信号经模数转换后传输给一单片机运算控制电路处理；所述单片机运算控制电路，用于控制四个超声波传感器发送或接收超声波，并记录超声波从发送到接收之间的时间，然后根据下述公式计算出实际风速与风向：

V1＝L1/2(1/t1-1/t2)，

V2＝L2/2(1/t3-1/t4)，

V = \sqrt{{V_{1}}^{2} + {V_{2}}^{2}},

tgθ＝V2/V1，

V为测得的实际风速，

θ为实际风向与第一超声波传感器和第二超声波传感器所在方向的夹角，

V1为实际风速在第一超声波传感器与第二超声波传感器所在方向上的速度矢量，

V2为实际风速在第三超声波传感器与第四超声波传感器所在方向上的速度矢量，

t1为超声波从第一超声波传感器传送到第二超声波传感器的时间，

t2为超声波从第二超声波传感器传送到第一超声波传感器的时间，

t3为超声波从第三超声波传感器传送到第四超声波传感器的时间，

t4为超声波从第四超声波传感器传送到第三超声波传感器的时间，

L1为第一超声波传感器与第二超声波传感器之间的距离，

L2为第三超声波传感器与第四超声波传感器之间的距离。

优选的，在所述模数(A/D)转换电路与所述超声波传感器之间还串联有一带通放大电路。

优选的，在所述带通放大电路与所述超声波传感器之间还串联有一电子模拟开关。

优选的，所述四个超声波传感器设置于同一圆周上。

优选的，所述四个超声波传感器为发射频率200K赫兹的超声波换能器。

优选的，所述电子模拟开关为4选1的电子模拟开关。

本发明超声波风速风向仪使用时，相对设置的超声波传感器之间(第一超声波传感器与第二超声波传感器、第三超声波传感器与第四超声波传感器)在单片机运算控制电路的控制下相互发送与接收超声波信号，模数(A/D)转换电路将接收到的超声波模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号后传输给单片机计算控制电路，所述单片机计算控制电路记录超声波从发送到接收之间的时间，然后通过单片机计算控制电路计算出风速风向数据。

由上可知，本发明超声波风速风向仪将传统机械式的风杯风速仪、风向标改为了超声波测试电路，避免了风杯的长时间机械转动所带来的磨损，从而延长了使用寿命，当然能够降低维护成本。

为实现上述第二发明目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种多气象参数测量仪，包含前述超声波风速风向仪，在所述超声波风速风向仪的单片机运算控制电路的输入端还连接有温度传感器、湿度传感器、以及压力传感器。

优选的，在所述单片机运算控制电路上还设置有一串行通讯接口。

本发明多气象参数测量仪使用时，不仅仅准确测量风速风向值，还可以通过温度传感器、湿度传感器、以及压力传感器将其感测到的温度值、湿度值、大气压值传输给单片机运算控制电路。

由上可知，本发明将多个功能模块集成在一起，使仪器整体结构简洁紧凑，从而使之安装使用更加便捷；而且，避免了传统测量***中的诸多机械运动部件，当然提高了仪器的稳定性与可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明超声波风速风向仪的电路原理结构框图；

图2为本发明超声波风速风向仪的超声波传感器的位置关系图；

图3为本发明多气象参数测量仪的电路原理结构框图；

图4为本发明多气象参数测量仪的机械结构示意图。

图中：

1、第一超声波传感器 2、第二超声波传感器

3、第三超声波传感器 4、第四超声波传感器

5、电子模拟开关 6、带通放大器

7、模数转换电路 8、单片机运算控制电路

9、温度传感器 10、湿度传感器

11、压力传感器 12、串行通讯接口

13、底座 14、透气窗

15、腔体 16、顶盖

17、零位指示标

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例公开了一种超声波风速风向仪，包括设置于同一水平面上的第一超声波传感器1、第二超声波传感器2、第三超声波传感器3、第四超声波传感器4，该四个超声波传感器为发射频率200K赫兹的超声波换能器；其中，第一超声波传感器1与第二超声波传感器2所在直线和第三超声波传感器3与第四超声波传感器4所在直线相互垂直，并且它们四个位于同一圆周上；在所述四个超声波传感器的信号输出端上连接有一模数(A/D)转换电路7，用于将所述超声波传感器接收到的超声波信号经模数转换后传输给一单片机运算控制电路处理8；在所述模数(A/D)转换电路7与所述超声波传感器之间还串联有一带通放大电路6；在所述带通放大电路6与所述超声波传感器之间还串联有一电子模拟开关5，所述电子模拟开关5为4选1的电子模拟开关；所述单片机运算控制电路8，用于控制四个超声波传感器发送或接收超声波，并记录超声波从发送到接收之间的时间，然后根据下述公式计算出实际风速与风向：

V1＝L1/2(1/t1-1/t2)，

V2＝L2/2(1/t3-1/t4)，

V = \sqrt{{V_{1}}^{2} + {V_{2}}^{2}},

tgθ＝V2/V1，

V为测得的实际风速，

L1为第一超声波传感器与第二超声波传感器之间的距离，

L2为第三超声波传感器与第四超声波传感器之间的距离。

本发明所采取的是超声波时差法测量风速风向原理：依据超声波在空气中传递是时间变化量来计算出风的速度和方向。

假设风从A点吹到B点，其中风速、风向测量原理如下：

A，B两点的距离为L，声速为C，风速为V，通过测量超声波从A点传送到B点的时间为t1，可计算出其速度：V＝L/t1-C；

由于，声波在静止空气中的传播速度是温度跟气压之间的函数，要想精确测定空气中声波的速度是很困难的。因此，再测得超声波是从B点传送到A点的时间为t2，则V＝C-L/t2。

最后，将两次测量的风速相加变换可得：V＝L/2(1/t1-1/t2)；此时，风速V就只和测量方向上的传播时间t1、t2和传播距离L有关，保障了其测量的准确性。

由于，实际测量时风向是不定的，不可能风总是从A点吹到B点。为了能够测量实际的风速，则可在同一水平面上划定横纵轴，分别按照前述方法测定风速在横轴与纵轴方向上的速度矢量V1与V2，则实际的风速为：

V = \sqrt{{V_{1}}^{2} + {V_{2}}^{2}}

根据速度矢量即可计算出风向：

由测量计算知横轴、纵轴方向速度矢量分别为V1、V2，假设风向与横轴的夹角为θ，则：

tgθ＝V2/V1。

因此，本发明通过测量正反向A到B、与反方向B到A这两个方向上声波的传递时间t1、t2来消除声速的影响，进而达到测量的准确性。

本发明使用时，单片机计算控制电路8记录：超声波从第一超声波传感器1传送到第二超声波传感器2的时间t1，超声波从第二超声波传感器2传送到第一超声波传感器1的时间t2，超声波从第三超声波传感器3传送到第四超声波传感器4的时间t3，超声波从第四超声波传感器4传送到第三超声波传感器3的时间t4；单片机计算控制电路8根据之前的原理得出实际风速与风向。4路超声波换能器4接收信号通过4选1电子模拟开关5，进入下一级带通放大电路5，带通放大电路5的中心频率为200kHz，放大足够倍数，以提高抗干扰能力。模数(A/D)转换电路7即为整形电路，把输入的模拟信号变为方波信号。本发明采用宏晶电子的STC系列单片机，与8051系列兼容，但快8倍以上。

实施例2：

如图3所示，本实施例公开了一种多气象参数测量仪，包含前述超声波风速风向仪，在所述超声波风速风向仪的单片机运算控制电路8的输入端还连接有温度传感器9、湿度传感器10、以及压力传感器11。同时，在所述单片机运算控制电路8上还设置有一串行通讯接口12RS485串行通讯，可传输1公里以上。

图4为本发明多气象参数测量仪的机械结构示意图，如图所示，第一超声波传感器1、第二超声波传感器2、第三超声波传感器3、第四超声波传感器4安装在同一平板上，在所述平板上方设置有一顶盖16，在顶盖16上设有零位指示标17；在腔体15内安装本发明的电路板，在透气窗14中安装温度传感器、湿度传感器、以及压力传感器，在最下方有一底座13。

本发明多气象参数测量仪使用时，不仅仅准确测量风速风向值，还可以通过温度传感器9、湿度传感器10、以及压力传感器11将其感测到的温度值、湿度值、大气压值传输给单片机运算控制电路。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种超声波风速风向仪，其特征在于：

包括设置于同一水平面上的第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器；

所述第一超声波传感器与第二超声波传感器所在直线和第三超声波传感器与第四超声波传感器所在直线相互垂直；

在所述四个超声波传感器的信号输出端上连接有一模数(A/D)转换电路，用于将所述超声波传感器接收到的超声波信号经模数转换后传输给一单片机运算控制电路处理；

所述单片机运算控制电路，用于控制四个超声波传感器发送或接收超声波，并记录超声波从发送到接收之间的时间，然后根据下述公式计算出实际风速与风向：

V1＝L1/2(1/t1-1/t2)，

V2＝L2/2(1/t3-1/t4)，

V = \sqrt{{V_{1}}^{2} + {V_{2}}^{2}},

tgθ＝V2/V1，

V为测得的实际风速，

L1为第一超声波传感器与第二超声波传感器之间的距离，

L2为第三超声波传感器与第四超声波传感器之间的距离。

2.根据权利要求1所述的超声波风速风向仪，其特征在于：

在所述模数(A/D)转换电路与所述超声波传感器之间还串联有一带通放大电路。

3.根据权利要求2所述的超声波风速风向仪，其特征在于：

在所述带通放大电路与所述超声波传感器之间还串联有一电子模拟开关。

4.根据权利要求1至3任一项所述的超声波风速风向仪，其特征在于：

所述四个超声波传感器设置于同一圆周上。

5.根据权利要求4所述的超声波风速风向仪，其特征在于：

所述四个超声波传感器为发射频率200K赫兹的超声波换能器。

6.根据权利要求4所述的超声波风速风向仪，其特征在于：

所述电子模拟开关为4选1的电子模拟开关。

7.一种包含权利要求1所述超声波风速风向仪的多气象参数测量仪，其特征在于：

在所述超声波风速风向仪的单片机运算控制电路的输入端还连接有温度传感器、湿度传感器、以及压力传感器。

8.根据权利要求7所述多气象测量仪，其特征在于：

在所述单片机运算控制电路上还设置有一串行通讯接口。