CN110470860B - 一种基于时差法超声波风速仪的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时差法超声波风速仪及校准方法，属于风速测量技术领域。该时差法超声波风速仪主要包括连接块、U型管、超声波收发传感器、支撑管、电子指北器、数据处理器、偏角传感器；其中数据处理器由存储***、数据校准***、通信***组成。本发明基于风速的矢量性，通过采集测量坐标系与标准坐标系3个坐标轴之间的欧拉角，从而计算出相应的旋转矩阵，完成同一矢量在不同坐标系之间的变换，实现对风速仪校准的目的。本发明无需对超声波风速仪进行接线工作与调平指北等校准操作，精简了风速仪架设的步骤，提高了仪器的安装效率，既解决了风速仪安装要求高、校准困难的问题，又保证了所测数据的真实性与准确性。

Description

一种基于时差法超声波风速仪的校准方法

技术领域

本发明属于风速测量技术领域，具体涉及一种基于时差法超声波风速仪的校准方法。

背景技术

风速仪是测量空气流速的仪器，它广泛应用于气象、土木、农业、电力、钢铁、石化等行业。现应用最为广泛的是机械式风速仪，即风杯式风速仪，它是根据风杯每秒钟转动的圈数来计算风速大小的，其结构简单，具有完善的理论依据和测量算法，但因在测定过程中摩擦损耗的影响不能忽略，往往会导致计算结果存在较大的误差。因此出现了多种新型风速仪，比如热线式风速仪、皮托管风速仪、超声波风速仪、激光多普勒风速仪等，其中超声波风速仪因体积小，精度高，量程广、盲区小、工艺简单，易于生产等优点，愈来愈得到使用者的青睐。

而超声波风速仪又可根据其测量方法分为：时差法超声波风速仪、频差法超声波风速仪、多普勒法超声波风速仪等。时差法超声波风速仪是利用声波在空气中的传播速度随风速而变化的原理，由顺风传播与逆风传播时间上存在的差值，计算出空气的流动速度；频差法超声波风速仪根据卡门涡街理论来测量，穿过空气的声波会形成卡门涡街，在一定条件下，旋涡频率与空气流速成正比，通过检出旋涡频率的方法来测定空气流速；多普勒法超声波风速仪是利用超声波遇到障碍物会发生多普勒偏移这一特点，通过发射与接收端超声波频率差值来求解出空气流速。其中时差法超声波风速仪原理简单、易于实现、适用范围广，在实际中应用最多。

现时差法超声波风速仪往往需配合采集仪才能实现数据的存储与传输，由于两仪器间导线规格的差异，其接线工作变得十分复杂，如若接线错误，则可能造成数据缺失、传输中断等现象。且风速仪有时需通过支架安装在高耸结构、大跨桥梁等结构上，为保证所测数据的准确性，应对风速仪进行调平和指北等校准工作，由于其安装固定位置高，高空作业不安全等因素，使得风速仪的校准工作存在一定困难。故如何提供一种新型的风速仪与一种简洁高效的校准方法，是有待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于时差法超声波风速仪的校准方法，通过在风速仪中布置数据处理器，使其具有数据采集、储存、处理和传输的功能。对风速仪的调平和指北的校准工作本质是坐标系的变换，本校准方法利用风速为矢量这一特性，通过测量坐标系与标准坐标系间欧拉角，计算出的旋转矩阵，完成对风速在两坐标系间的坐标变换，实现对风速仪的调平和指北校准工作。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种时差法超声波风速仪，包括连接块、U型管、固定管、超声波收发传感器、连接管、支撑管、电子指北器、数据处理器、偏角传感器；所述连接块为圆柱形块体，分为上连接块和下连接块，上下对称布置，所述U型管的数量为4根，环向布置在上下连接块外侧，U型管两端分别与上下连接块相连接，所述固定管的数量为6根，其中4根固定在U型管的中部内侧，剩余2根分别固定在上连接块的下底面和下连接块的上顶面，两两固定管对称设置，且其连线相互垂直，每根固定管端部装有1个超声波收发传感器，共6个，形成3组两两对称的超声波收发传感器，每组内2个超声波收发传感器之间距离相等，所述6个超声波传感器中有3个是定位传感器，分别是前传感器、右传感器和上传感器，所述连接管上部与下连接块连接，下部与支撑管连接，所述偏角传感器、电子指北器均布置在支撑管内，用于采集测量坐标系与标准坐标系之间的欧拉角；所述数据处理器包括存储***、数据校准***、通信***，也位于支撑管内；上述储存***用以储存风特性数据，所述数据校准***用以计算风速与校准数据，所述通信***将采集的数据传输给测量人员的PC机。

一种基于上述时差法超声波风速仪的校准方法包括以下步骤：

步骤1：在待测位置搭设风速仪支架，将超声波风速仪安装固定在风速仪支架上；

步骤2：对超声波风速仪供电，测量超声波在对称的2个超声波收发传感器之间的传播时间T_x、T_x′、T_y、T_y′、T_z、T_z′，偏角传感器、电子指北器分别采集测量坐标系与标准坐标系3个坐标轴之间的欧拉角α、β、γ；

步骤3：存储***存储T_x、T_x′、T_y、T_y′、T_z、T_z′、α、β、γ数据；

步骤4：数据处理器计算测量坐标系下3组超声波收发传感器之间的风速V_x、V_y、V_z，并形成速度矩阵V＝[V_x V_y V_z]；

步骤5：数据处理器依据欧拉角α、β、γ计算出旋转矩阵R_x、R_y、R_z；

步骤6：数据处理器依据旋转矩阵R_x、R_y、R_z对速度矩阵V校准，得到标准坐标系下的校准速度矩阵V′＝[V_x′V_y′V_z′]，进而得到标准坐标系下的三向风速V_x′、V_y′、V_z′；

步骤7：对标准坐标系下的三向风速进行矢量计算，得到矢量风速

进一步地，以前传感器接收超声波方向为前方向，右传感器接收超声波方向为右方向，上传感器接收超声波方向为上方向；上述测量坐标系为以前、右、上方向分别为x轴、y轴、 z轴正方向建立的三维笛卡尔直角坐标系，上述标准坐标系为以正北、正东、垂直向上方向分别为x′轴、y′轴、z′轴正方向建立的三维笛卡尔直角坐标系。

进一步地，上述欧拉角α、β、γ分别为x—x′、y—y′、z—z′之间的旋转角度，根据右手定则，大拇指指向轴线正方向，四指旋转方向为欧拉角的正方向。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种基于时差法超声波风速仪的校准方法，通过在风速仪中布置数据处理器，使其具有数据采集、储存、处理和传输的功能，同时利用风速的矢量性，通过采集两坐标系坐标轴间的欧拉角计算出旋转矩阵，并以此实现风速从测量坐标系向标准坐标系的转化。本校准方法简洁高效，无需对超声波风速仪进行接线工作与调平指北的校准操作，在仪器安装完成后可直接测量并储存数据，精简了风速仪架设的步骤，提高了仪器的安装效率，既解决了风速仪安装要求高、校准困难的问题，又保证了所测数据的真实性与严谨性。

附图说明

图1为本发明时差法超声波风速仪结构示意图；

图2为本发明时差法超声波风速仪校准方法流程图；

图3为本发明时差法超声波风速仪校准方法的测量坐标系与标准坐标系示意图。

附图标记列表：

1.连接块，2.U型管，3.固定管，4.超声波收发传感器，5.前传感器，6.右传感器，7.上传感器，8.连接管，9.支撑管，10.电子指北器，11.数据处理器，12.偏角传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例所述的一种时差法超声波风速仪，包括连接块1、U型管2、固定管3、超声波收发传感器4、连接管8、支撑管9、电子指北器10、数据处理器11、偏角传感器12；连接块1为圆柱形块体，共2块，分为上连接块和下连接块，上下对称布置，U型管 2环向布置在上下连接块1四周，共4根，U型管2两端均与上下连接块1相连接，固定管3 共6根，其中4根固定在U型管2的中部，剩余2根分别固定在上下连接块1的下底面和上顶面，两两固定管3对称，且其连线相互垂直，每根固定管3端部装有1个超声波收发传感器4，共6个，形成3组两两对称的超声波收发传感器4，每组内2个对称的超声波收发传感器4之间距离相等，6个超声波收发传感器4中有3个是定位传感器，分别是前传感器5、右传感器6和上传感器7，连接管8上部与下连接块1连接，下部与支撑管9连接，偏角传感器12、电子指北器10均布置在支撑管9内，用于采集测量坐标系与标准坐标系之间的欧拉角；数据处理器11包括存储***、数据校准***、通信***，也位于支撑管9内；储存***用以储存风特性数据，数据校准***用以计算风速与校准数据，通信***将采集的数据传输给测量人员的PC机。

一种基于上述时差法超声波风速仪的校准方法，其流程图如图2所示，还包括以下步骤：

步骤1：在待测位置搭设风速仪支架，将超声波风速仪固定在风速仪支架上即可，无需进行调平、指北的校准操作，但也不宜使风速仪偏斜过大；

步骤2：对超声波风速仪供电，仪器自动测量超声波在对称的2个超声波收发传感器4 之间的传播时间T_x、T_x′、T_y、T_y′、T_z、T_z′，偏角传感器12、电子指北器10分别采集测量坐标系x轴、y轴、z轴与标准坐标系x′轴、y′轴、z′轴的欧拉角α、β、γ；

步骤3：存储***存储T_x、T_x′、T_y、T_y′、T_z、T_z′、α、β、γ数据；

步骤4：数据处理器11计算3组超声波收发传感器4之间的风速V_x、V_y、V_z，并形成速度矩阵V＝[V_x V_y V_z]；

当任意两对称超声波收发传感器4之间的距离为l(m)时，可得到如图3所示测量坐标系下x轴、y轴、z轴向的风速V_x、V_y、V_z：

式中：

T_x为测量坐标系下超声波从x轴负向超声波收发传感器到x轴正向超声波收发传感器的时间(s)，

T_x′为测量坐标系下超声波从x轴正向超声波收发传感器到x轴负向超声波收发传感器的时间(s)，

T_y为测量坐标系下超声波从y轴负向超声波收发传感器到y轴正向超声波收发传感器的时间(s)，

T_y′为测量坐标系下超声波从y轴正向超声波收发传感器到y轴负向超声波收发传感器的时间(s)，

T_z为测量坐标系下超声波从z轴负向超声波收发传感器到z轴正向超声波收发传感器的时间(s)，

T_z′为测量坐标系下超声波从z轴正向超声波收发传感器到z轴负向超声波收发传感器的时间(s)；

由式(1)、(2)、(3)可得到测量坐标系下的速度矩阵V：

V＝[V_x V_y V_z] (4)

步骤5：数据处理器11 依据欧拉角α、β、γ计算出旋转矩阵R_x、R_y、R_z；

对风速仪调平和指北的校准工作其本质就是坐标系变换。将速度矩阵V从测量坐标系变换到标准坐标系下，得到校准速度矩阵V′，即实现了风速仪的校准工作。坐标变换过程中的矩阵叫做旋转矩阵，根据电子指北器10、偏角传感器12所测得的欧拉角可分别计算出绕x轴的旋转矩阵R_x：

绕y轴的旋转矩阵R_y：

绕z轴的旋转矩阵R_z：

式中：

α为从测量坐标系x轴到标准坐标系轴x′的旋转角度(°)，

β为从测量坐标系y轴到标准坐标系轴y′的旋转角度(°)，

γ为从测量坐标系z轴到标准坐标系轴z′的旋转角度(°)，

根据右手定则，大拇指指向轴线正方向，四指旋转方向为上述旋转角的正方向；

步骤6：数据处理器11依据旋转矩阵R_x、R_y、R_z对速度矩阵V进行校准，得到校准速度矩阵V′＝[V_x′ V_y′ V_z′]，进而得到如图3所示标准坐标系下的三向风速V_x′、V_y′、V_z′；

将式(4)、(5)、(6)、(7)进行矩阵相乘可得到校准速度矩阵V′：

由此，可写出风速在标准坐标系下沿x′轴、y′轴、z′轴的风速V_x′、V_y′、V_z′：

V_x′＝V_xcosβcosγ+V_y(sinαsinβcosγ-cosαsinγ)+V_z(cosαsinβcosγ+sinαsinγ) (9)

V_y′＝V_xcosβcosγ+V_y(sinαsinβsinγ+cosαcosγ)+V_z(cosαsinβsinγ-sinαcosγ)(10)

V_z′＝-V_xsinβ+V_ysinαcosβ+V_zcosαcosβ (11)

式中：

V_x′为标准坐标系下沿x轴向的风速(m/s)，

V_y′为标准坐标系下沿x轴向的风速(m/s)，

V_z′为标准坐标系下沿x轴向的风速(m/s)；

步骤7：对标准坐标系下的三向风速进行矢量计算，得到矢量风速

由式(9)、(10)、(11)可计算出矢量风速的大小

以所述前传感器5接收超声波方向为前方向，所述右传感器6接收超声波方向为右方向，所述上传感器7接收超声波方向为上方向；如图3所示，以前、右、上方向分别为x轴、y轴、 z轴正方向建立的三维笛卡尔直角坐标系为测量坐标系，以正北、正东、垂直向上方向分别为x′轴、y′轴、z′轴正方向建立的三维笛卡尔直角坐标系为标准坐标系。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (1)

1.一种基于时差法超声波风速仪的校准方法，其特征在于：

所述时差法超声波风速仪，包括连接块(1)、U型管(2)、固定管(3)、超声波收发传感器(4)、连接管(8)、支撑管(9)、电子指北器(10)、数据处理器(11)、偏角传感器(12)；连接块(1)为圆柱形块体，共2块，分为上连接块和下连接块，上下对称布置，U型管(2)环向布置在上下连接块(1)四周，共4根，U型管(2)两端均与上下连接块(1)相连接，固定管(3)共6根，其中4根固定在U型管(2)的中部，剩余2根分别固定在上下连接块(1)的下底面和上顶面，两两固定管(3)对称，且其连线相互垂直，每根固定管(3)端部装有1个超声波收发传感器(4)，共6个，形成3组两两对称的超声波收发传感器(4)，每组内2个对称的超声波收发传感器(4)之间距离相等，6个超声波收发传感器(4)中有3个是定位传感器，分别是前传感器(5)、右传感器(6)和上传感器(7)，连接管(8)上部与下连接块(1)连接，下部与支撑管(9)连接，偏角传感器(12)、电子指北器(10)均布置在支撑管(9)内，用于采集测量坐标系与标准坐标系之间的欧拉角；数据处理器(11)包括存储***、数据校准***、通信***，也位于支撑管(9)内；储存***用以储存风特性数据，数据校准***用以计算风速与校准数据，通信***将采集的数据传输给测量人员的PC机；

其校准方法包括以下步骤：

步骤1：在待测位置搭设风速仪支架，将超声波风速仪固定在风速仪支架上；

步骤2：对超声波风速仪供电，仪器自动测量超声波在对称的2个超声波收发传感器(4)之间的传播时间T_x、T_x′、T_y、T_y′、T_z、T_z′，偏角传感器(12)、电子指北器(10)分别采集测量坐标系x轴、y轴、z轴与标准坐标系x′轴、y′轴、z′轴的欧拉角α、β、γ；

步骤3：存储***存储T_x、T_x′、T_y、T_y′、T_z、T_z′、α、β、γ数据；

步骤4：数据处理器(11)计算3组超声波收发传感器(4)之间的风速V_x、V_y、V_z，并形成速度矩阵V＝[V_x V_y V_z]；

当任意两对称超声波收发传感器(4)之间的距离为l时，l的单位为m，得到测量坐标系下x轴、y轴、z轴向的风速V_x、V_y、V_z，风速单位为m/s：

式中：

T_x为测量坐标系下超声波从x轴负向超声波收发传感器到x轴正向超声波收发传感器的时间，单位为s，

T_x′为测量坐标系下超声波从x轴正向超声波收发传感器到x轴负向超声波收发传感器的时间，单位为s，

T_y为测量坐标系下超声波从y轴负向超声波收发传感器到y轴正向超声波收发传感器的时间，单位为s，

T_y′为测量坐标系下超声波从y轴正向超声波收发传感器到y轴负向超声波收发传感器的时间，单位为s，

T_z为测量坐标系下超声波从z轴负向超声波收发传感器到z轴正向超声波收发传感器的时间，单位为s，

T_z′为测量坐标系下超声波从z轴正向超声波收发传感器到z轴负向超声波收发传感器的时间，单位为s，

由式(1)、(2)、(3)得到测量坐标系下的速度矩阵V：

V＝[V_x V_y V_z] (4)

步骤5：数据处理器( 11 )依据欧拉角α、β、γ计算出旋转矩阵R_x、R_y、R_z；

将速度矩阵V从测量坐标系变换到标准坐标系下，得到校准速度矩阵V′，即实现了风速仪的校准工作；坐标变换过程中的矩阵叫做旋转矩阵，根据电子指北器(10)、偏角传感器(12)所测得的欧拉角分别计算出绕x轴的旋转矩阵R_x：

绕y轴的旋转矩阵R_y：

绕z轴的旋转矩阵R_z：

式中：

α为从测量坐标系x轴到标准坐标系轴x′的旋转角度，

β为从测量坐标系y轴到标准坐标系轴y′的旋转角度，

γ为从测量坐标系z轴到标准坐标系轴z′的旋转角度，

根据右手定则，大拇指指向轴线正方向，四指旋转方向为旋转角的正方向；

步骤6：数据处理器(11)依据旋转矩阵R_x、R_y、R_z对速度矩阵V进行校准，得到校准速度矩阵V′＝[V′_x V′_y V′_z]，进而得到标准坐标系下的三向风速V_x′、V_y′、V_z′；

将式(4)、(5)、(6)、(7)进行矩阵相乘得到校准速度矩阵V′：

由此，写出风速在标准坐标系下沿x′轴、y′轴、z′轴的风速V_x′、V_y′、V_z′：

V_x′＝V_xcosβcosγ+V_y(sinαsinβcosγ-cosαsinγ)+V_z(cosαsinβcosγ+sinαsinγ) (9)

V_y′＝V_xcosβcosγ+V_y(sinαsinβsinγ+cosαcosγ)+V_z(cosαsinβsinγ-sinαcosγ) (10)

V_z′＝-V_xsinβ+V_ysinαcosβ+V_zcosαcosβ (11)

式中：

V_x′为标准坐标系下沿x轴向的风速，风速单位为m/s，

V_y′为标准坐标系下沿x轴向的风速，风速单位为m/s，

V_z′为标准坐标系下沿x轴向的风速，风速单位为m/s，

步骤7：对标准坐标系下的三向风速进行矢量计算，得到矢量风速

由式(9)、(10)、(11)计算出矢量风速的大小

以前传感器(5)接收超声波方向为前方向，右传感器(6)接收超声波方向为右方向，上传感器(7)接收超声波方向为上方向；以前、右、上方向分别为x轴、y轴、z轴正方向建立的三维笛卡尔直角坐标系为测量坐标系，以正北、正东、垂直向上方向分别为x′轴、y′轴、z′轴正方向建立的三维笛卡尔直角坐标系为标准坐标系。

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