CN215986133U - 一种提高超声波风传感器精度的测量和校准*** - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***，包括：高压脉冲电路单元、发开关、发换能器、收换能器、收开关、接收电路单元，所述高压脉冲电路单元输出端连接发开关输入端，所述发开关输出端连接发换能器，所述收开关分别与发换能器、收换能器输出端连接，所述收开关的输出端连接接收电路单元。本申请将迟滞作为出厂参数配置到设备中，既提高了测量精度，同时降低了使用复杂性。在环境温度变化时，仅需要微调工作频率即可维持高精度测量；频率的实时测量是伴随性质的，不影响当前的风速风向测量。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***。
背景技术
常用的超声波风传感器分为两种，一类是渡越式，另一类是共振腔方式。渡越式超声波风速风向传感器通常有四颗超声波换能器，也有三颗的情况，两者在算法上有些差异，但在各方向渡越时间测量上面是一致的。
比如，以四颗换能器直接对射式为例，四颗换能器，分别对应东西南北四个方向，在测量时，分别测量北到南的渡越时间，再测南到北的渡越时间，传输距离由结构确定下来，北到南的分量风速是传感器需要测得最终值，分量风速的精度取决于渡越时间的测量精度。迟滞时间很小的测量误差都会导致分量风速比较大的误差，因此如何解决迟滞带来的误差，是提高超声波风传感器精度的关键。
实用新型内容
本申请实施例提供一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***，通过解决迟滞带来的误差，提高超声波风传感器的精度。
本申请实施例提供一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***，包括：高压脉冲电路单元、发开关、发换能器、收换能器、收开关、接收电路单元，所述高压脉冲电路单元输出端连接发开关输入端，所述发开关输出端连接发换能器，所述收开关分别与发换能器、收换能器输出端连接，所述收开关的输出端连接接收电路单元。
优选的，所述发开关、收开关包括中央控制器、信号检测模块、计时芯片、开关控制电路，所述中央控制器与信号检测模块、计时芯片、开关控制电路电连接，所述开关控制电路为电子开关芯片或者MOS开关管，中央控制器为单片机或者ARM处理器，信号检测模块包括信号放大、AD转换电路，计时芯片为时钟芯片。
优选的，所述发开关、收开关的信号检测模块与计时芯片的计时触发引脚电连接。
优选的，所述发开关的开关控制电路与发换能器电连接。
优选的，所述收开关的开关控制电路包括两路通断控制电路，所述两路通断控制电路分别与发换能器、收换能器电连接。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
1)本申请将迟滞作为出厂参数配置到设备中，既提高了测量精度，同时降低了使用复杂性。
2)本申请在环境温度变化时，仅需要微调工作频率即可维持高精度测量；
3)本申请的频率的实时测量是伴随性质的，不影响当前的风速风向测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为换能器的测试通过采用扫频方式的原理框图；
图2为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***的原理框图；
图3为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***的发开关、收开关的具体原理框图；
图4为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***的发开关与***模块连接原理框图；
图5为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***的收开关与***模块连接原理框图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
传统换能器的测试通过是采用扫频方式，原理如图1所示。首先开关连通高压脉冲发生器与换能器，调整高压脉冲发生器脉冲个数、幅度、频率参数，并启动，紧接着将开关连通换能器与示波器通道，观察换能器收到的反射信号，再换一个频率重复这个过程，找出幅度最大时对应的频点，该频点就是换能器的频率。实际的扫频测试需要硬件电路支持才可以操作，这里只是讲一个原理。
针对超声波风速风向传感器设备，显然无法使用这种扫频方式测量换能器频率，一是缺少反射板这一硬件，若紧靠对方的换能器做反射，其信号幅度太小，基本无法识别，另外设备在工作时也没有时间做这种测量，针对该种设备，需要开发一种伴随方式的频率测量。也就是说频率测量工作不能影响正常的风速风向测量。
本申请实施例提供一种实现如上述提高超声波风传感器精度的测量和校准***，如图2所示，包括：高压脉冲电路单元、发开关、发换能器、收换能器、收开关、接收电路单元，高压脉冲电路单元输出端连接发开关输入端，发开关输出端连接发换能器，收开关分别与发换能器、收换能器输出端连接，收开关的输出端连接接收电路单元。其中，高压脉冲电路单元为超声波发生器，接收电路单元为用于显示超声波信号的显示屏、示波器或者其他信号测试仪器。
如图2所示，在测试发换能器到收换能器的渡越时间时，发开关连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关连通接收电路单元到收换能器，高压脉冲电路单元的高压脉冲信号触发计时芯片开始计时，收开关的高压脉冲电信号接收端触发计时芯片停止计时，停止计时与开始计时的时间差为发换能器到收换能器的渡越时间。
同时，超声波脉冲从发换能器发出超声波到收换能器需要一定时间，该时间与温度、风速、结构尺寸相关，本申请谈到的频率测试就是利用这段时间完成的，换能器在高压电脉冲结束后，其振荡不会马上停止，有很长时间的余震，而余震的频率恰好是换能器的频率，与激励的电脉冲频率无关。
在测试计算发换能器频率时，发开关连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关连通收换能器到接收电路单元，在高压脉冲电路单元发出的高压电脉冲串激励完成后，发开关断开发换能器，收开关连通发换能器到接收电路单元，接收电路单元根据收到的信号的过零点间隔计算出发换能器频率f0，在完成发换能器频率f0测量后，收开关断开发换能器，再将收换能器连接到接收电路单元，接下去再进行正常的渡越时间测量。其它换能器的频率测量原理与此一样，此处不再赘述。
如图3所示，发开关、收开关包括中央控制器、信号检测模块、计时芯片、开关控制电路，中央控制器与信号检测模块、计时芯片、开关控制电路电连接，开关控制电路为电子开关芯片或者MOS开关管，中央控制器为单片机或者 ARM处理器，信号检测模块包括信号放大、AD转换电路，计时芯片为时钟芯片。其中，中央控制器根据信号检测模块、计时芯片得到的对应参数，向开关控制电路发出控制信号，实现渡越时间测量或者换能器频率频率测试。
如图4、5所示，发开关、收开关的信号检测模块与计时芯片的计时触发引脚电连接，发开关、收开关在测量发换能器到收换能器的渡越时间时，发开关的计时芯片的计时触发引脚通过信号检测模块采集发换能器的信号发出时间，并开始计时，收开关的计时芯片的计时触发引脚通过信号检测模块采集收换能器的信号收到时间，并停止计时，停止计时与开始计时的时间差即为渡越时间。
发开关的开关控制电路用于控制高压脉冲电路单元与发换能器的通断，收开关的开关控制电路用于控制接收电路单元与发换能器或者收换能器的通断，分别用于测量发换能器到收换能器的渡越时间和发换能器频率。如图5所示，收开关的开关控制电路的1、2端分别连接发换能器、收换能器，通过选通1、 3或者2、3实现接收不同换能器的信号。
具体测试过程如下：
在测试发换能器到收换能器的渡越时间时，发开关的中央控制器控制开关控制电路连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关的中央控制器控制开关控制电路连通接收电路单元到收换能器，高压脉冲电路单元发出的高压脉冲串通过信号检测模块检测到，然后发开关的中央控制器控制计时芯片开始计时。当接收电路单元接收到脉冲电信号时，收开关的中央控制器控制计时芯片停止计时，停止计时与开始计时的时间差为发换能器到收换能器的渡越时间。
按照上述所述的换能器在高压电脉冲结束后，其振荡不会马上停止，有很长时间的余震，而余震的频率恰好是换能器的频率，与激励的电脉冲频率无关。因此，发换能器频率测试过程如下。
当发开关的时钟芯片检测到高压脉冲电路单元发出的高压电脉冲串激励完成后，发开关的中央控制器控制开关控制电路断开发换能器，而发换能器振荡不会马上停止，有很长时间的余震，而余震的频率恰好是换能器的频率。
收开关的中央控制器控制开关控制电路连通发换能器到接收电路单元，接收电路单元根据收到的信号的过零点时间间隔计算出发换能器频率f0，因为过零点的时间间隔为这个余震信号一个周期的时间T，因此换能器频率f0与这个周期时间T的关系为：f0＝1/T。
在完成发换能器频率f0测量后，收开关断开发换能器，再将收换能器连接到接收电路单元，接下去再进行正常的渡越时间测量。其它换能器的频率测量原理与此一样，此处不再赘述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***，其特征在于，包括：高压脉冲电路单元、发开关、发换能器、收换能器、收开关、接收电路单元，所述高压脉冲电路单元输出端连接发开关输入端，所述发开关输出端连接发换能器，所述收开关分别与发换能器、收换能器输出端连接，所述收开关的输出端连接接收电路单元。
2.根据权利要求1所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***，其特征在于，所述发开关、收开关包括中央控制器、信号检测模块、计时芯片、开关控制电路，所述中央控制器与信号检测模块、计时芯片、开关控制电路电连接，所述开关控制电路为电子开关芯片或者MOS开关管，中央控制器为单片机或者ARM处理器，信号检测模块包括信号放大、AD转换电路，计时芯片为时钟芯片。
3.根据权利要求2所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***，其特征在于，所述发开关、收开关的信号检测模块与计时芯片的计时触发引脚电连接。
4.根据权利要求2所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***，其特征在于，所述发开关的开关控制电路与发换能器电连接。
5.根据权利要求2所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准***，其特征在于，所述收开关的开关控制电路包括两路通断控制电路，所述两路通断控制电路分别与发换能器、收换能器电连接。
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