CN115201513A - 一种四探头三维风速风向传感器及风速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明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***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。

Description

一种四探头三维风速风向传感器及风速测量方法

技术领域

本发明涉及超声波探头测量风速技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明的发明目的是基于上述背景技术的不足，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。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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；

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；

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；

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。

进一步的，所述单片机采用时差法计算风速。

进一步的，风速的计算公式为：

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。

本发明所采用时差法的原理如下：

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。

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：

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：

得到时间差Δt＝t_ba-t_ab

实际情况下v₀<<v，所以Δt近似为：

可以推导出:

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。

可以得到:

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。

本发明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。

有益效果：(1)本发明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

图1是探头位置及结构模型。

图2是软件与数字电路***示意图。

图3是本发明的整体***流程图。

图4是TDC-GP22测时模块工作流程。

图5是单片机程序流程图。

图6是本发明的实物立体结构示意图。

图7是本发明模拟电路原理图。

图8是理想风速与实际测量风速的关系。

图9是绝对误差与风速的关系。

图10是相对误差与风速的关系。

图中标号说明：1.中空底座 2.顶点的探头在底座上 3.控制线路在中空的支架中4.三个探头在各自支架的凹槽中。

具体实施方式

本实施例使用四个中心频率为40kHz的超声波探头构成四面体，如图1所示。四个超声波探头分别编号为U₀,U₁,U₂,U₃，再规定每条棱从小序号探头指向大序号探头为风速的正方向，并如图将每条棱的风速分别标号为v₀,v₁,v₂,v₃,v₄,v₅。定义v₀与U₁,U₂,U₃所在平面构成的夹角为θ，由正四面体的几何特性可知：

将正四面体每个面的角记为

则

如图设x,y,z轴，将风速分解并合成为v_x,v_y,v_z。

v_z＝v₀sinθ+v₁sinθ+v₅sinθ

最后合成为总的风速：

本实施例探头选用低压超声波探头GU1007C-40TR，在此基础上，单探头电路设计的***框图3所示。单片机选用基于ARM Cortex^TM-M3内核的STM32F103RCT6作为主控单片机，工作频率为72MHz，内置512K字节的闪存和64K字节的SRAM，完全满足了我们对于数据存储和计算的要求。芯片可工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，有比较可靠的鲁棒性，而且芯片自带的省电模式保证低功耗的要求。

单片机在电路中负责发送start信号使计时芯片TDC-GP22开始计时，在停止计时后读取时间信息并计算风速，向探头发送激励信号，控制双路选择开关选通发射模式或接收模式。

单片机控制开关芯片选通发射模式，然后发出40kHz激励信号经过功率放大驱动超声波探头发出超声波信号。

为防止激励信号影响接收电路以及接收到的信号倒灌进功率放大电路，我们选择CD4052模拟开关芯片来将激励电路和接收电路隔离开，单片机连接芯片的控制端，高电平选通超声波探头与激励电路相连，即发射模式；低电平选通超声波探头与接收电路相连，即接收模式。

单片机选通接收模式，将接收到的信号经过放大和滤波，生成较为干净易于测量的40kHz回波信号，再经过比较器进一步过滤掉在未收到信号时较小的毛刺和噪声信号，同时生成数字信号作为stop命令使计时芯片停止计时。

计时芯片TDC-GP22可以计量出start信号与stop信号之间的时间间隔，芯片与单片机通过SPI协议通信。芯片与单片机通过SPI协议通信，由单片机读出时间信号。

本实施例软件***总框架如图2所示。四探头三维风速传感器的设计中，STM32控制多路选择器CD4052与对TDC-GP22的片选信号，起到总控的作用，实现顺序收发的功能。也就是说四个超声波探头轮流收发，达到轮流一个发送，三个接收的效果，并且控制与接收探头配套的TDC-GP22测量时间数据。

在具体操作中，STM32轮流发送start信号给超声波探头与TDC-GP22计时芯片，也就是说：给选中在发射模式的探头发送start信号，激励探头发射超声波；同时给其余三个被片选信号选中的处于计时状态的计时芯片也发送start信号，表示计时开始。接下来，当其余三个处于接收模式的探头接收到超声波，就会给对应的计时芯片stop信号，结束计时，就能得到三个相应时间。

计时模块TDC-GP22的工作流程如图4所示。在上电复位后，TDC-GP22首先检查寄存器配置，确定工作方法，在发送初始化命令之后，TDC-GP22就进入了计时状态。测量的时间就是start与stop脉冲之间的时间，此时如果溢出，也都要进行中断的判断。中断程序之后，TDC-GP22通过读状态寄存器来判断目前状态是否正常，如果状态为溢出，则检查问题出现在哪里，然后复位重新开始；如果状态正常，那么所读的时间数据会被保存，并给单片机一个外部中断，单片机收到中断信号之后就会读取时间信号，并储存数据计算风速。

基于四探头超声波三维风速传感器的风速测量方法如图5所示，包括如下步骤：

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；

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；

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；

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x、y、z轴上分解并合成得到最后的三维风速与风向。

为了验证本实施例设计的四探头三维风速传感器在实际环境中的性能，将封装好的风速传感器进行风洞测试。为了验证实际使用中本风速传感器效果，本实施例使用0.25米直流风洞，在湿度45％，环境温度26℃的条件下进行测试。

实验过程中，将风速传感器放入风洞内，当风洞工作时，缓慢将风洞依次逐渐调高进行测量，每次调高风速先等待至风速稳定后再读取数据，如此多次实验读取数据，求平均值得出最后结果。测试的风速范围为3.3m/s至28.1m/s。

用上述条件进行测试，每种情况测量十组数据，并取平均。测量输出：总风速。将风速传感器测量到的风速与理想风速作比较，得出相对误差，得到以下实验结果：

表1实验测量结果

将表格中的数据作图，如图8，横坐标是实际风速，纵坐标是此时对应的理想风速，与测量到的风速。通过对比可以看到在3.3m/s-28.1m/s风速范围内，相对误差基本都可以保持在10％之内，误差可能由外壳封装形状、风引起的温差导致。

为了研究误差与风速的关系，如图9、10，分别将绝对误差与相对误差描点作图，并做线性拟合。通过拟合可以看到绝对误差随着风速增大而增大，而相对误差随着风速增大减小了，这说明在风速较大的情况下，本实施例的风速测量仪是较为准确的。

Claims (10)

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所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，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。

7.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，所述探头的中心频率为40kHz。

8.基于权利要求1所述四探头超声波三维风速传感器的风速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

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；

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；

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；

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。

9.根据权利要求8所述的风速测量方法，其特征在于，所述单片机采用时差法计算风速。

10.根据权利要求9所述的风速测量方法，其特征在于，风速的计算公式为：

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。

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