CN110018327A - 一种超声波测风仪及测风速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测风仪，包括测风腔、微处理器、FPGA芯片、超声波换能器收发切换模块以及三个超声波换能器；所述测风腔包括上平面和下平面，所述上平面与下平面之间的距离等于超声波半波长的整数倍，三个超声波换能器安装于所述上平面，超声波换能器发射的超声波能够在上平面与下平面之间来回反射形成驻波；所述三个超声波换能器与所述超声波换能器收发切换模块连接，所述FPGA芯片控制超声波换能器收发切换模块完成接收和发射切换功能，实现超声波信号的时序发射以及记录超声波信号从发射到接收的飞行时间。本发明的超声波测风仪体积小，测算范围宽，可以长时间稳定工作于沙尘、盐雾、冻雨等恶劣气候环境。

Description

一种超声波测风仪及测风速方法

技术领域

本发明属于风速风向测量技术领域，具体涉及一种超声波测风仪。

背景技术

风矢量包含风速和风向信息，有效地监测风矢量信息，不仅可以为人们提供日常出行的参考，同时可为监测各种天气气候灾害提供依据。强烈天气和气候***的缓变和突变对国家安全的很多方面产生影响，需要从战略高度为军事安全、国土安全、公共安全、环境安全、生态安全、能源安源、粮食安全、水资源安全等方面提供全方位气象保障服务。空气流动产生的动能称为风能，风能是一种不产生任何污染物排放的可再生自然能源，其储量非常巨大，风力发电是风能利用的最重要形式，风力发电已经超过核电，成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。无论是气象应用还是风能利用，首要的任务就是准确获得风矢量信息。高质量风矢量测量仪器的设计将为气象应用与风能利用提供有力的数据。

传统机械式测风仪结构简单，技术成熟，多采用光电管方式或者磁编码方式测量风速风向，在风力发电、气象监测、铁路等行业应用广泛，但其存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，不能长时间稳定可靠的工作于沙尘、盐雾、冻雨等恶劣气候环境。

发明内容

本发明提供一种超声波测风仪以及测风速方法，能够解决现有测风仪不能适应恶劣气候环境的问题。

本发明采用的技术方案为：一种超声波测风仪，包括测风腔、微处理器、FPGA芯片、超声波换能器收发切换模块以及三个超声波换能器；所述测风腔包括上平面和下平面，所述上平面与下平面之间的距离等于超声波半波长的整数倍，三个超声波换能器安装于所述上平面，超声波换能器发射的超声波能够在上平面与下平面之间来回反射形成驻波；所述三个超声波换能器与所述超声波换能器收发切换模块连接，所述FPGA芯片控制超声波换能器收发切换模块完成接收和发射切换功能，实现超声波信号的时序发射以及记录超声波信号从发射到接收的飞行时间；所述微处理器控制FPGA芯片完成超声波收发切换、回波数据采集，并对FPGA芯片采集到的回波数据进行处理。

进一步的，所述三个超声波换能器呈等边三角形分布。

进一步的，所述测风腔的上平面与下平面之间的距离等于超声波波长。

进一步的，所述三个超声波换能器每两个组合成一对，三个超声波换能器两两组合成三对，三对超声波换能器轮流收发超声波信号。

进一步的，所述三个超声波换能器包括A超声波换能器、B超声波换能器、C超声波换能器，A超声波换能器与B超声波换能器组成一对，B超声波换能器与C超声波换能器组成一对，C超声波换能器与A超声波换能器组成一对，每对超声波换能器按时间顺序发射超声波和接收超声波。

进一步的，所述超声波换能器收发切换模块连接有换能器驱动电路以及回波接收电路，换能器驱动电路通过DAC数字模拟转换器与FPGA芯片连接，回波接收电路通过ADC模拟数字转换器与FPGA芯片连接。

进一步的，所述测风腔的上平面和下平面呈圆形，所述上平面与下平面之间设置有六个连接柱，所述连接柱对称分布于圆形平面的边沿，所述连接柱包括三个空心柱。

进一步的，还包括壳体，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体与上平面组成第一腔体，所述第二壳体与下平面组成第二腔体。

进一步的，所述第二壳体的下端连接有底座，所述底座设置有六方扳手位和外螺纹，底座的底端连接有航空插头。

利用上述超声波测风仪进行测风速的方法，包括以下步骤：

步骤一：A超声波换能器发射超声波信号，B超声波换能器接收；FPGA从控制A超声波换能器发射超声波信号开始计时，到ADC采集到B超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到A超声波换能器发射的超声波信号到B超声波换能器的飞行时间t1；

步骤二：B超声波换能器发射，A超声波换能器接收；FPGA从控制B超声波换能器发射超声波信号开始计时，到ADC采集到A超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到B超声波换能器发射的超声波信号到A超声波换能器的飞行时间t2；

步骤三：根据公式Vw＝L*(t2-t1)/(2*t1*t2)，计算得出超声波换能器AB方向上的风速Vab；

步骤四：根据步骤一至步骤三的方法，同理得到超声波换能器BC、CA方向上的风速Vbc、Vca；

步骤五：根据步骤三和步骤四得到的风速Vab、Vbc、Vca，通过矢量合成，对Vab、Vbc、Vca求矢量和，矢量和的模即测量风速，矢量和的角度即风向；计算公式如下：

Vabx＝Vab*cos(30°)

Vaby＝Vab*sin(30°)

Vbcx＝Vbc*cos(30°)

Vbcy＝Vbc*sin(30°)

Vx＝Vabx+Vbcx

Vy＝Vaby+Vbcy+Vca

Vx是X方向的风速分量，Vy是Y方向的风速分量，风速V可以由Vx与Vy合成，Vx与Vy成90度夹角，风向D可以由三角函数关系得到：

V＝sqrt(Vx*Vx+Vy*Vy)

D＝acos(Vy/V))。

本发明的有益效果是：

本发明的测风腔上平面与下平面之间的距离等于超声波波长，三个超声波换能器安装于上平面，使得超声波在测风腔的两个平面之间来回反射，形成驻波，以获得最佳信噪比。相对现有技术的超声波测风仪，本发明的超声波回波信号接收幅度更强，因此抗干扰能力更强，工作稳定性更好，可适用于风速较大、干扰因素较多的环境。另一方面，本发明的测风腔上平面与下平面之间的距离仅仅是超声波一个波长的距离，测风腔的体积非常小，使得本发明的超声波测风仪体积比现有技术中测风仪的体积小数倍甚至十倍。本发明的超声波测风仪可以长时间稳定工作于沙尘、盐雾、冻雨等恶劣气候环境。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的测风腔的结构示意图；

图3是本发明的控制***原理图；

图4是超声波驻波反射模型示意图；

图5是图4的等效对射模型示意图；

图6是风速矢量合成直角坐标系。

附图标记：1-壳体，2-第一腔体，3-第二腔体，4-测风腔，41-上平面，42-下平面，5-连接柱，6-超声波换能器，7-底座，8-外螺纹，9-航空插头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1至图3，一种超声波测风仪，包括测风腔4、微处理器、FPGA芯片、超声波换能器收发切换模块以及三个超声波换能器6；所述测风腔4包括上平面41和下平面42，所述上平面41与下平面42之间的距离等于超声波半波长的整数倍，三个超声波换能器6安装于所述上平面41，超声波换能器6发射的超声波能够在上平面41与下平面42之间来回反射形成驻波；所述三个超声波换能器6与所述超声波换能器收发切换模块连接，所述FPGA芯片控制超声波换能器收发切换模块完成接收和发射切换功能，实现超声波信号的时序发射以及记录超声波信号从发射到接收的飞行时间；所述微处理器控制FPGA芯片完成超声波收发切换、回波数据采集，并对FPGA芯片采集到的回波数据进行处理。所述超声波换能器收发切换模块连接有换能器驱动电路以及回波接收电路，换能器驱动电路通过DAC数字模拟转换器与FPGA芯片连接，回波接收电路通过ADC模拟数字转换器与FPGA芯片连接。

所述三个超声波换能器6呈等边三角形分布。所述测风腔4的上平面41与下平面42之间的距离等于超声波波长。

超声波在测风腔4内形成驻波，让超声波形成驻波是为了获得最佳信噪比，驻波产生的条件是如公式(1)所示：

L＝n(λ/2)……(1)

上式中，n为整数，当n＝2时，即测风腔上平面与下平面之间的距离L等于超声波波长λ时，超声波在测风腔的两个平面之间来回反射，形成驻波，此时的回波信号接收幅度较强。

超声波波长λ、频率f、声速v的关系如公式(2)所示：

λ＝v*T＝v/f……(2)

由于声波在空气介质中传播时，其声速v是随温度、气压等条件变化而变化的，若要满足公式(1)的条件，则必须保证波长λ恒定不变。根据公式(2)，若要满足波长λ不变的条件，则需要频率f随着声速v而变化。本发明的超声驱动频率随着外界环境条件变化而变化，采用自适应频率跟随算法，当外界条件变化时，超声回波的质量会变化。通过微处理器和FPGA芯片预设的算法程序判断超声回波质量，实时调整超声驱动频率以保证回波质量处于最佳状态，从而保证超声波在测风腔内一直处于驻波状态。

三个超声波换能器每两个组合成一对，三个超声波换能器两两组合成三对，三对超声波换能器轮流收发超声波信号。三个超声波换能器包括A超声波换能器、B超声波换能器、C超声波换能器，A超声波换能器与B超声波换能器组成一对，B超声波换能器与C超声波换能器组成一对，C超声波换能器与A超声波换能器组成一对，每对超声波换能器按时间顺序发射超声波和接收超声波。

每一个超声波换能器既可以发射超声波，也可以接收超声波，其中两个换能器组成一对。本发明中的超声波反射路径如图4所示，超声波从换能器A发射后经过测风腔上下两个平面来回反射，最终达到换能器B。

图4所示的反射模型可等效成图5所示的对射模型。

A换能器和B换能器组成一对，从A发射到B接收的时间为t1，从B发射到A接收的时间为t2，AB之间的距离L，超声波在空气中的传播速度为Vs。根据图4可得：

t1＝L/(Vs+Vw)……(3)

t2＝L/(Vs-Vw)……(4)

根据式(3)和(4)可得

Vw＝L*(t2-t1)/(2*t1*t2)……(5)

由式(5)可以得出风速Vw只与超声波飞行的时间相关，与超声波在空气介质中的速度无关，所以风速的计算可以忽略温度、气压等环境条件对超声波传播速度的影响。

当A超声波换能器作为发射，B超声波换能器作为接收，FPGA芯片从控制A超声波换能器发射超声波开始计时，到ADC采集到B超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到A超声波换能器发射的超声波信号到B超声波换能器的飞行时间t1。同理可以得到B超声波换能器到A超声波换能器的飞行时间t2，可计算得出，超声波换能器AB方向上的风速和风向。同理可得BC、CA方向上的风速和风向。所述三个超声波换能器呈等边三角形分布，每一对超声波换能器可以测量得到一个风速信号，三个风速信号在同一水平面，且每两个风速信号的夹角都是120度。通过矢量合成的方法，对三个风速信号求矢量和，矢量和的模即测量风速，矢量和的角度即风向。

本实施例中，所述测风腔4的上平面41和下平面42呈圆形，表面光滑，所述上平面41与下平面42之间设置有六个连接柱5，所述连接柱5对称分布于圆形平面的边沿，所述连接柱5包括三个空心柱。本超声波测风仪还包括壳体1，所述壳体1包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体与上平面41组成第一腔体2，所述第二壳体与下平面42组成第二腔体3。微处理器、FPGA芯片、超声波换能器收发切换模块等芯片或电路模块设置于电路板上，电路板安装于第一腔体2和第二腔体3内部。空心柱用于穿过导线，连接第一腔体2和第二腔体3内部的电路板。

所述壳体1的下端连接有底座7，所述底座7设置有六方扳手位和外螺纹8，底座7的底端连接有航空插头9。本实施例中，所述外螺纹8的参数为M28x1.5，该底座7可以适应两种安装方式，分别是螺纹固定方式和螺母并紧固定方式，其中螺纹固定方式采用M28x1.5的螺纹，可以用于管状内螺纹安装；其中螺母并紧固定方式可以安装在有直径Ф29～32mm的安装孔的支架上，用螺母并紧测风仪。

三个超声波换能器的排列方式和收发控制***原理图如图3所示，换能器对称排列于测风腔上平面，三个超声波换能器呈等边三角形分布。每一个超声波换能器既用于超声波发射，也用于超声波接收，所以需要超声波换能器收发切换模块来完成收发切换功能，三个以中心对称排列的超声波换能器，分别编号A、B、C，换能器的收发流程分为六个个步骤：一、A换能器发射，B换能器接收；二、B换能器发射，A换能器接收；三、B换能器发射，C换能器接收；四、C换能器发射，B换能器接收；五、C换能器发射，A换能器接收；六、A换能器发射，C换能器接收。

DAC负责将数字信号转换为模拟驱动信号，模拟驱动信号经超声波换能器收发切换模块到达超声波换能器，超声波换能器将电信号转换为超声波信号。当超声波换能器收到超声波回波信号后，将超声波信号转换为电信号，经过超声波换能器收发切换模块，回波信号到达ADC端口，ADC将模拟回波信号转换为数字信号。FPGA芯片控制超声波换能器收发切换模块完成收发切换功能，FPGA控制DAC，并采集ADC数据，微处理器和FPGA之间进行数字通讯，微处理器指挥FPGA完成超声波驱动、收发切换、回波数据采集工作，FPGA将采集到的数据传输给微处理器，微处理器负责数据后期处理工作。当A换能器作为发射，B换能器作为接收，FPGA从控制A换能器发射超声波开始计时，到ADC采集到B换能器回波信号为止计时结束，由此得到换能器A的超声波信号到换能器B的飞行时间t1。同理可以得到换能器B到换能器A的飞行时间t2，根据式(5)可得，换能器AB方向上的风速和风向。同理可得BC、CA方向上的风速和风向。

利用上述超声波测风仪进行测风速的方法，包括以下步骤：

步骤一：A超声波换能器发射超声波信号，B超声波换能器接收；FPGA从控制A超声波换能器发射超声波信号开始计时，到ADC采集到B超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到A超声波换能器发射的超声波信号到B超声波换能器的飞行时间t1；

步骤二：B超声波换能器发射，A超声波换能器接收；FPGA从控制B超声波换能器发射超声波信号开始计时，到ADC采集到A超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到B超声波换能器发射的超声波信号到A超声波换能器的飞行时间t2；

步骤三：根据公式Vw＝L*(t2-t1)/(2*t1*t2)，计算得出超声波换能器AB方向上的风速Vab；

步骤四：根据步骤一至步骤三的方法，同理得到超声波换能器BC、CA方向上的风速Vbc、Vca；

步骤五：根据步骤三和步骤四得到的风速Vab、Vbc、Vca，通过矢量合成，对Vab、Vbc、Vca求矢量和，矢量和的模即测量风速，矢量和的角度即风向；如图6所示，建立直角坐标系，在此坐标系中，Vab、Vbc、Vca为夹角都是120度的三个风速矢量，由图6可得：

Vabx＝Vab*cos(30°)

Vaby＝Vab*sin(30°)

Vbcx＝Vbc*cos(30°)

Vbcy＝Vbc*sin(30°)

Vx＝Vabx+Vbcx

Vy＝Vaby+Vbcy+Vca

Vx是X方向的风速分量，Vy是Y方向的风速分量，风速V可以由Vx与Vy合成，Vx与Vy成90度夹角，风向D可以由三角函数关系得到：

V＝sqrt(Vx*Vx+Vy*Vy)

D＝acos(Vy/V))。

Claims (10)

1.一种超声波测风仪，其特征在于：包括测风腔、微处理器、FPGA芯片、超声波换能器收发切换模块以及三个超声波换能器；

所述测风腔包括上平面和下平面，所述上平面与下平面之间的距离等于超声波半波长的整数倍，三个超声波换能器安装于所述上平面，超声波换能器发射的超声波能够在上平面与下平面之间来回反射形成驻波；

所述三个超声波换能器与所述超声波换能器收发切换模块连接，所述FPGA芯片控制超声波换能器收发切换模块完成接收和发射切换功能，实现超声波信号的时序发射以及记录超声波信号从发射到接收的飞行时间；所述微处理器控制FPGA芯片完成超声波收发切换、回波数据采集，并对FPGA芯片采集到的回波数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的超声波测风仪，其特征在于：所述三个超声波换能器呈等边三角形分布。

3.根据权利要求2所述的超声波测风仪，其特征在于：所述测风腔的上平面与下平面之间的距离等于超声波波长。

4.根据权利要求3所述的超声波测风仪，其特征在于：所述三个超声波换能器每两个组合成一对，三个超声波换能器两两组合成三对，三对超声波换能器轮流收发超声波信号。

5.根据权利要求4所述的超声波测风仪，其特征在于：所述三个超声波换能器包括A超声波换能器、B超声波换能器、C超声波换能器，A超声波换能器与B超声波换能器组成一对，B超声波换能器与C超声波换能器组成一对，C超声波换能器与A超声波换能器组成一对，每对超声波换能器按时间顺序发射超声波和接收超声波。

6.根据权利要求5所述的超声波测风仪，其特征在于：所述超声波换能器收发切换模块连接有换能器驱动电路以及回波接收电路，换能器驱动电路通过DAC数字模拟转换器与FPGA芯片连接，回波接收电路通过ADC模拟数字转换器与FPGA芯片连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的超声波测风仪，其特征在于：所述测风腔的上平面和下平面呈圆形，所述上平面与下平面之间设置有六个连接柱，所述连接柱对称分布于圆形平面的边沿，所述连接柱包括三个空心柱。

8.根据权利要求7所述的超声波测风仪，其特征在于：还包括壳体，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体与上平面组成第一腔体，所述第二壳体与下平面组成第二腔体。

9.根据权利要求8所述的超声波测风仪，其特征在于：所述第二壳体的下端连接有底座，所述底座设置有六方扳手位和外螺纹，底座的底端连接有航空插头。

10.一种利用权利要求6所述的超声波测风仪的测风速方法，包括以下步骤：

步骤一：A超声波换能器发射超声波信号，B超声波换能器接收；FPGA从控制A超声波换能器发射超声波信号开始计时，到ADC采集到B超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到A超声波换能器发射的超声波信号到B超声波换能器的飞行时间t1；

步骤二：B超声波换能器发射，A超声波换能器接收；FPGA从控制B超声波换能器发射超声波信号开始计时，到ADC采集到A超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到B超声波换能器发射的超声波信号到A超声波换能器的飞行时间t2；

步骤三：根据公式Vw＝L*(t2-t1)/(2*t1*t2)，计算得出超声波换能器AB方向上的风速Vab；

步骤四：根据步骤一至步骤三的方法，同理得到超声波换能器BC、CA方向上的风速Vbc、Vca；

步骤五：根据步骤三和步骤四得到的风速Vab、Vbc、Vca，通过矢量合成，对Vab、Vbc、Vca求矢量和，矢量和的模即测量风速，矢量和的角度即风向；计算公式如下：

Vabx＝Vab*cos(30°)

Vaby＝Vab*sin(30°)

Vbcx＝Vbc*cos(30°)

Vbcy＝Vbc*sin(30°)

Vx＝Vabx+Vbcx

Vy＝Vaby+Vbcy+Vca

Vx是X方向的风速分量，Vy是Y方向的风速分量，风速V可以由Vx与Vy合成，Vx与Vy成90度夹角，风向D可以由三角函数关系得到：

V＝sqrt(Vx*Vx+Vy*Vy)

D＝acos(Vy/V))。