專利名稱：超聲波風(fēng)速儀及運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)速及風(fēng)向測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲波風(fēng)速儀及運(yùn)用超聲波 測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法。
背景技術(shù)：
目前現(xiàn)有的風(fēng)速儀主要包括機(jī)械式風(fēng)速儀和熱敏式風(fēng)速儀。其中，機(jī)械式風(fēng)速儀 主要是通過(guò)風(fēng)力帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)獲得基本測(cè)量信息，將葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度或葉輪的轉(zhuǎn)數(shù) 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并以此測(cè)算出風(fēng)速。但這種風(fēng)速儀對(duì)測(cè)量環(huán)境要求比較高，而且由于 未解決儀器密封問(wèn)題，因此在北方沙塵暴天氣中無(wú)法正常工作，在低溫環(huán)境下還會(huì)因 結(jié)冰而將運(yùn)動(dòng)部件卡死；同時(shí)，機(jī)械式風(fēng)速儀由于存在較多運(yùn)動(dòng)部件，導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)部 件磨損快和使用壽命短等缺點(diǎn)；此外，由于受機(jī)械結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理的限制，機(jī)械式風(fēng) 速儀的靈敏度較低。另一種熱敏式風(fēng)速儀，主要原理是將物體加熱至一定的溫度，然 后置于氣流中，通過(guò)測(cè)量被加熱的物體的熱量損失來(lái)計(jì)算風(fēng)速。但是熱敏式風(fēng)速儀是 將溫度作為基本測(cè)量參數(shù)，因此容易受環(huán)境溫度變化影響，只適用于測(cè)量低風(fēng)速。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)超聲波進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量的設(shè)備以及運(yùn)用超 聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法。該設(shè)備通過(guò)相對(duì)固定的兩對(duì)超聲波發(fā)射/接收探頭測(cè)量沿 空氣傳播的正反兩個(gè)不同方向發(fā)射的超聲波到達(dá)接收端的時(shí)間差，運(yùn)用時(shí)差法計(jì)算出 空氣流動(dòng)速度和方向，解決了由動(dòng)作部件獲得測(cè)量信息的技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)也解決了現(xiàn) 有技術(shù)測(cè)量精度底、使用壽命短以及受環(huán)境影響大等多個(gè)技術(shù)問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種超聲波風(fēng)速儀，包括底座、控制電路板、 四個(gè)測(cè)量臂和四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭；所述四個(gè)測(cè)量臂分別與所述底座相連，并且 依次相鄰成90度夾角；所述四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭分別安裝在所述四個(gè)測(cè)量臂遠(yuǎn) 離所述底座的一端；在所述四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭中，相對(duì)成180度角的兩對(duì)超聲波發(fā)射/接收探頭在同一水平面，并且與所述底座間的垂直距離相等。本發(fā)明提供的超聲波風(fēng)速儀的控制電路板上安裝有中央處理單元，用于進(jìn)行數(shù) 據(jù)處理，并發(fā)出各種控制指令；電源電路，用于從外部輸入電源并進(jìn)行電壓變換，為 系統(tǒng)提供所需各種電源電壓；方波產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生方波脈沖；超聲波收發(fā)電路， 與所述方波產(chǎn)生電路相連接，用于接收和發(fā)射超聲波；時(shí)間測(cè)量電路，與所述方波產(chǎn) 生電路和所述超聲波收發(fā)電路相連接，用于測(cè)量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間；數(shù)字通 信電路，與所述中央處理單元相連接，用于接收外部指令，并與所述中央處理單元間 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；模擬通訊電路，與所述中央處理單元相連接，用于將測(cè)量的風(fēng)速和風(fēng) 向轉(zhuǎn)變成電流輸出；模擬開關(guān)電路，與所述數(shù)字通信電路及所述模擬通訊電路相連接， 用于選擇不同的數(shù)據(jù)輸出方式。本發(fā)明提供的超聲波風(fēng)速儀還包括安裝在每個(gè)測(cè)量臂內(nèi)的加熱器，用于對(duì)所述 超聲波發(fā)射/接收探頭進(jìn)行加熱；相應(yīng)的，在所述測(cè)量臂內(nèi)還安裝有溫度測(cè)量電路，用 于測(cè)量環(huán)境溫度，并將測(cè)量結(jié)果傳入所述中央處理單元；相應(yīng)的，在所述控制電路板 上還安裝有加熱電路，在所述中央處理單元的控制下控制所述加熱器工作；所述加熱 電路與所述加熱器通過(guò)導(dǎo)線相連接。本發(fā)明提供的超聲波風(fēng)速儀的控制電路板可安裝于所述底座內(nèi)。 本發(fā)明提供的超聲波風(fēng)速儀的底座可為圓柱體或立方體。 本發(fā)明還提供了一種運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法，所述方法包括 用第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第三超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì) 方發(fā)送的超聲波的時(shí)間；用第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì)方發(fā)送的超聲波的時(shí)間；根據(jù)測(cè)量到的時(shí)間、所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第三超聲波發(fā)射/接收裝置 間的距離及所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離計(jì)算 出風(fēng)速和風(fēng)向。本發(fā)明提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法中，所述第一超聲波發(fā)射/接收 裝置與第三超聲波發(fā)射/接收裝置在同一水平面;所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置與第四超聲波發(fā)射/接收裝置在同一水平面。本發(fā)明提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法中，所述第一超聲波發(fā)射/接收 裝置、第二超聲波發(fā)射/接收裝置、第三超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收 裝置依次相鄰成90度夾角，并且所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第三超聲波發(fā)射/接 收裝置相對(duì)，所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置相對(duì)。本發(fā)明提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法中，所述第一超聲波發(fā)射/接收 裝置和第三超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離與所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超 聲波發(fā)射/接收裝置間的距離相等。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是本發(fā)明利用超聲波技術(shù)進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向的 測(cè)量，由于沒(méi)有動(dòng)作部件，因此不受環(huán)境影響，能夠適用于惡劣氣候條件下風(fēng)速的測(cè) 量，真正實(shí)現(xiàn)全天候可靠工作，并且在使用中不需要特別維護(hù)，節(jié)約了儀器的維護(hù)費(fèi) 用，延長(zhǎng)了儀器的使用壽命。同時(shí)本發(fā)明運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法易于實(shí)現(xiàn)， 所需設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可適用于各種惡劣的測(cè)量環(huán)境，保證了測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，提高了測(cè) 量精度。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1提供的超聲波風(fēng)速儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1提供的控制電路板內(nèi)部電氣原理框圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1提供的中央處理單元單片機(jī)電路原理圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例1提供的400KHZ方波產(chǎn)生電路和時(shí)間測(cè)量電路原理圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例1提供的超聲波發(fā)射和接收電路原理圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例1提供的超聲波發(fā)射和接收電路工作波形圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例1提供的模擬輸入電路原理圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例1提供的4-20mA模擬輸出電路原理圖； 圖9是本發(fā)明實(shí)施例1提供的一次時(shí)間測(cè)量的流程圖； 圖10是本發(fā)明實(shí)施例1提供的加熱電路原理圖；圖11是本發(fā)明實(shí)施例2提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法原理示意圖；圖12是本發(fā)明實(shí)施例2提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法流程圖。
具體實(shí)施方式
為使發(fā)明的目的、技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一 步地詳細(xì)描述。 實(shí)施例1參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲波風(fēng)速儀包括底座1、控制電路板和安裝在底 座上的四個(gè)測(cè)量臂第一測(cè)量臂21、第二測(cè)量臂22、第三測(cè)量臂23和第四測(cè)量臂24。 底座l為圓柱體，四個(gè)測(cè)量臂分別被安裝在底座1頂端同一水平面，并且相鄰的測(cè)量 臂之間依次成90度夾角。測(cè)量臂由中空的不銹鋼管彎折而成，在每個(gè)測(cè)量臂的頂端分 別安裝有由超聲波傳感器構(gòu)成的超聲波發(fā)射/接收探頭，分別是第一超聲波發(fā)射/接收 探頭31、第二超聲波發(fā)射/接收探頭32、第三超聲波發(fā)射/接收探頭33和第四超聲波發(fā) 射/接收探頭34。第一超聲波發(fā)射/接收探頭31與第三超聲波發(fā)射/接收探頭33安裝于 同一水平面，并且兩探頭31和33到底座1頂端的垂直距離相等，這樣可以使第一超 聲波發(fā)射/接收探頭31與第三超聲波發(fā)射/接收探頭33間準(zhǔn)確地相互發(fā)射和接收超聲 波；同樣的，第二超聲波發(fā)射/接收探頭32與第四超聲波發(fā)射/接收探頭34安裝于同一 水平面，兩探頭32和34到底座1頂端的垂直距離相等，這樣可以使第二超聲波發(fā)射/ 接收探頭32與第四超聲波發(fā)射/接收探頭34間準(zhǔn)確地相互發(fā)射和接收超聲波。在本發(fā) 明的具體實(shí)施過(guò)程中，可以將四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭安裝在同一水平面內(nèi)，這樣四 個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭與底座1頂端的垂直距離都相等。為使超聲波風(fēng)速儀的外型簡(jiǎn) 潔，便于移動(dòng)，本實(shí)施例提供的超聲波風(fēng)速儀的底座內(nèi)部設(shè)計(jì)為空腔結(jié)構(gòu)，超聲波發(fā) 射/接收探頭與控制電路板通過(guò)導(dǎo)線連接，控制電路板安裝于底座l內(nèi)。為使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，本實(shí)施例中的每根測(cè)量臂從與底座連接端至安裝超聲波發(fā)射/ 接收探頭端經(jīng)過(guò)三次彎折成型。在實(shí)際設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，各測(cè)量臂彎折段的長(zhǎng)度及彎 折曲度可以根據(jù)具體需要來(lái)確定，要保證相對(duì)的兩對(duì)超聲波發(fā)射/接收探頭能夠相互準(zhǔn) 確地發(fā)射或接收超聲波即可。測(cè)量臂及底座可以采用不銹鋼、銅等較堅(jiān)固的材質(zhì)制成。 另外，本實(shí)施例中的底座1還可以設(shè)計(jì)成立方體或圓錐體等不同形狀。在實(shí)際應(yīng)用中，本實(shí)施例中的四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭可以選用工作頻率為 400KHz的超聲波傳感器FUS-400A來(lái)實(shí)現(xiàn)，該傳感器既可作為發(fā)射也可作為接收來(lái)使 用，解決了要分立安裝超聲波發(fā)射探頭和接收探頭的困難。圖2示出了實(shí)施例1中提供的控制電路板內(nèi)部電氣原理框圖，具體包括超聲波收發(fā)電路44、方波產(chǎn)生電路42、時(shí)間測(cè)量電路43、數(shù)字通信電路45、模擬通訊電路 46、電源電路47、中央處理單元41 (CPU)和模擬開關(guān)電路50。中央處理單元41，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并發(fā)出各種控制指令。在實(shí)際應(yīng)用中，中 央處理單元41可以采用TI公司生產(chǎn)的低功耗16位單片機(jī)MSP430F1611IPM來(lái)實(shí)現(xiàn)， 它可以完成各種指令的發(fā)出，計(jì)算風(fēng)速、風(fēng)向和空氣溫度等參數(shù)。圖3示出了該單片 機(jī)的電路原理圖，單片機(jī)MSP430F1611IPM內(nèi)部集成有兩路12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸 出電壓范圍是0-2.5伏，外加電壓/電流轉(zhuǎn)換電路就可實(shí)現(xiàn)4-20mA電流輸出；單片機(jī) MSP430F1611IPM內(nèi)部還集成有8路12位A/D，外部輸入的0-10V模擬信號(hào)經(jīng)分壓電 路和隔離放大器IS0124和外部隔離，得到0-2.5V信號(hào)，直接輸入到單片機(jī) MSP430F1611IPM進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電源電路47，用于從外部輸入電源并進(jìn)行電壓變換，為系統(tǒng)提供所需各種電源電 壓。電源電路47實(shí)現(xiàn)直流電壓到直流電壓的變換(DC-DC)，由外部輸入24V (±10%) 電源，電源電路輸出端輸出土5V、 土15V和24V五種直流電壓，分別為各有源器件提 供電源。方波產(chǎn)生電路42，用于產(chǎn)生方波脈沖；時(shí)間測(cè)量電路43，與方波產(chǎn)生電路42和 超聲波收發(fā)電路44相連接，用于測(cè)量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí) 間測(cè)量電路43和方波產(chǎn)生電路42可以集成在LATTICE公司生產(chǎn)的可編程邏輯控制器 LC4256V-75TN100I內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該芯片的最高工作頻率為133MHz，本實(shí)施例中電路設(shè) 計(jì)工作頻率為lOOMHz。 LC4256V-75TN100I內(nèi)有兩大模塊24位計(jì)數(shù)器和400KHz 方波產(chǎn)生模塊。圖4示出了 400KHz方波產(chǎn)生電路和時(shí)間測(cè)量電路的原理圖。超聲波收發(fā)電路44，與方波產(chǎn)生電路42相連接，用于接收和發(fā)射超聲波。圖5 示出了超聲波收發(fā)電路44的電路原理圖，該電路的工作波形如圖6所示。數(shù)字通信電路45，與中央處理單元41相連接，用于接收外部指令，并與中央處 理單元41間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證長(zhǎng)距離可靠的信號(hào)傳輸，數(shù)字通 信電路45可以采用RS485電路來(lái)完成，該電路主要由MAXIM公司生產(chǎn)的 RS485/RS422轉(zhuǎn)換芯片MAX1485構(gòu)成，MAX1485由外部引腳控制它工作在全雙工或 半雙工模式。模擬通訊電路46，與中央處理單元41相連接，用于將測(cè)量的風(fēng)速和風(fēng)向轉(zhuǎn)變成電流輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證長(zhǎng)距離精確的信號(hào)傳輸，模擬通訊電路46可以采 用模擬輸入電路和4-20mA模擬輸出電路來(lái)完成，把測(cè)量的風(fēng)速和風(fēng)向轉(zhuǎn)變成電流輸 出，例如4mA代表風(fēng)速或風(fēng)向?yàn)榱悖?0mA代表風(fēng)速和風(fēng)向的最大值。圖7示出了模 擬輸入電路的原理圖，圖8示出了 4-20mA模擬輸出電路的原理圖。模擬開關(guān)電路50，與數(shù)字通信電路45及模擬通訊電路46相連接，用于選擇不 同的數(shù)據(jù)輸出方式。其中，數(shù)字通信電路45和模擬通訊電路46保證了超聲波風(fēng)速儀可以進(jìn)行數(shù)字信 號(hào)和模擬信號(hào)的傳輸，增加了測(cè)量的可靠性。本實(shí)施例提供的超聲波風(fēng)速儀的工作原理為圖9示出了超聲波風(fēng)速儀完成一次時(shí)間測(cè)量的流程圖，24位計(jì)數(shù)器等待中央處理單元41的控制啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)24位計(jì)數(shù)器收到控制啟動(dòng)信號(hào)后，24位計(jì)數(shù)器復(fù)位；，啟動(dòng)400KHz的方波產(chǎn)生模塊，發(fā)射50us的超聲波信號(hào)，經(jīng)變壓器升壓驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器；超聲波收發(fā)電路收到超聲波后，對(duì)接收到的微弱超聲波信號(hào)進(jìn)行放大和整形，并輸出方波，觸發(fā)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值7V，及LC4256V-75TN100I工作頻率為lOOMHz，超聲波在空氣中的傳播時(shí)間可以通過(guò)式(1)計(jì)算得到<formula>formula see original document page 9</formula>(1)滿x106其中，iv為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，r為超聲波在空氣中的傳播時(shí)間，單位為秒。 另外，當(dāng)超聲波風(fēng)速儀在低溫(溫度低于o攝氏度)環(huán)境下使用時(shí)，超聲波發(fā)射/ 接收探頭上會(huì)因結(jié)冰而導(dǎo)致靈敏度降低，為了使超聲波風(fēng)速儀可以在低溫環(huán)境下正常工作，在本發(fā)明實(shí)施例提供的控制電路板上還可以安裝有溫度測(cè)量電路48加熱電路 49，相應(yīng)的，還在每個(gè)測(cè)量臂內(nèi)靠近超聲波發(fā)射/接收探頭處安裝加熱器。其中，溫度 測(cè)量電路48，用于測(cè)量環(huán)境溫度，并將測(cè)量結(jié)果傳入中央處理單元41;加熱電路49， 在中央處理單元41的控制下控制加熱器工作；加熱器，用于對(duì)超聲波發(fā)射/接收探頭 進(jìn)行加熱；加熱電路與加熱器通過(guò)導(dǎo)線相連接。在實(shí)際應(yīng)用中，溫度測(cè)量電路48可以 采用Tl公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器TMP175AID來(lái)實(shí)現(xiàn)，該溫度傳感器在-25攝氏度 到85攝氏度的準(zhǔn)確度為1.5攝氏度，分辨率為0.0625攝氏度，接口為兩線接口；溫度測(cè)量電路48將測(cè)量到的環(huán)境溫度參數(shù)傳送至中央處理單元41;中央處理單元41根據(jù) 溫度參數(shù)向加熱電路49，發(fā)送控制指令；加熱電路49接收到控制指令后，驅(qū)動(dòng)加熱 器對(duì)超聲波發(fā)射/接收探頭進(jìn)行加熱，圖IO示出了加熱電路原理圖。加熱電路49內(nèi)的 溫度控制可以選用LM26CIM5-NPA集成器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，該器件集成有溫度傳感器和報(bào) 警電路，可輸出一個(gè)和溫度成正比的電壓信號(hào)。中央處理單元41內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采 樣這個(gè)電壓并計(jì)算出溫度。例如當(dāng)環(huán)境溫度低于10攝氏度時(shí)，加熱電路開始工作， 并由溫控電路把溫度維持在20攝氏度；當(dāng)溫度高于20攝氏度時(shí)，加熱器停止加熱。 LM26CIM5-NPA的另外功能是報(bào)警功能，如果中央處理單元41出現(xiàn)故障接通加熱電路49，當(dāng)溫度達(dá)到45攝氏度時(shí)，強(qiáng)行關(guān)閉加熱器。本實(shí)施例提供的超聲波風(fēng)速儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有動(dòng)作部件，克服了現(xiàn)有技術(shù)中依靠 動(dòng)作部件進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量的缺陷，將環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾降到最低。另外，本實(shí) 施例提供的超聲波風(fēng)速儀在0攝氏度以下的低溫環(huán)境中仍然可以正常工作，適用于各 種不同氣候環(huán)境。 實(shí)施例2圖11示出了利用超聲波風(fēng)速儀實(shí)現(xiàn)運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法原理示意 圖，該方法運(yùn)用時(shí)差法測(cè)量沿空氣傳播的正反兩個(gè)不同方向發(fā)射的超聲波到達(dá)接收端 的時(shí)差從而計(jì)算出空氣流動(dòng)速度。下面通過(guò)實(shí)施例1提供的超聲波風(fēng)速儀，具體以超聲波發(fā)射/接收探頭作為超聲波 發(fā)射/接收裝置來(lái)詳細(xì)闡述本發(fā)明實(shí)施例提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法，具 體包括以下步驟，參見圖1和圖12:步驟200:第一超聲波發(fā)射/接收探頭31向第三超聲波發(fā)射/接收探頭33發(fā)送超 聲波，并測(cè)量超聲波在第一超聲波發(fā)射/接收探頭31與第三超聲波發(fā)射/接收探頭33 之間的傳播時(shí)間，記為^『；步驟201:第三超聲波發(fā)射/接收探頭33向第一超聲波發(fā)射/接收探頭31發(fā)送超 聲波，并測(cè)量超聲波在第三超聲波發(fā)射/接收探頭33與第一超聲波發(fā)射/接收探頭31之間的傳播時(shí)間，記為？;￡;步驟202:第二超聲波發(fā)射/接收探頭32向第四超聲波發(fā)射/接收探頭34發(fā)送超 聲波，并測(cè)量超聲波在第二超聲波發(fā)射/接收探頭32與第四超聲波發(fā)射/接收探頭34之間的傳播時(shí)間，記為T，；步后203:第四超聲波發(fā)射/接收探頭34向第二超聲波發(fā)射/接收探頭32發(fā)送超聲波，并測(cè)量超聲波在第四超聲波發(fā)射/接收探頭與第二超聲波發(fā)射/接收探頭之間的傳播時(shí)間，記為『船；步驟204:根據(jù)測(cè)量到的時(shí)間；『、r附、r朋和r船，第一超聲波發(fā)射/接收探頭31與第三超聲波發(fā)射/接收探頭33間的距離及第二超聲波發(fā)射/接收探頭32與第四超聲波發(fā)射/接收探頭34間的距離丄M ，計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)向；在具體的實(shí)施過(guò)程中，為了便于計(jì)算，通常將第一超聲波發(fā)射/接收探頭31與第 三超聲波發(fā)射/接收探頭33設(shè)置在同一水平面，將第二超聲波發(fā)射/接收探頭32與第四 超聲波發(fā)射/接收探頭34設(shè)置在同一水平面，即第一超聲波發(fā)射/接收探頭31與第三超 聲波發(fā)射/接收探頭33到底座1的垂直距離相等，第二超聲波發(fā)射/接收探頭32與第四 超聲波發(fā)射/接收探頭34到底座l的垂直距離相等；第一超聲波發(fā)射/接收探頭31、第 二超聲波發(fā)射/接收探頭32、第三超聲波發(fā)射/接收探頭33和第四超聲波發(fā)射/接收探頭 34依次相鄰成90度夾角，并且第一超聲波發(fā)射/接收探頭31和第三超聲波發(fā)射/接收 探頭33正向相對(duì)，第二超聲波發(fā)射/接收探頭32和第四超聲波發(fā)射/接收探頭34正向 相對(duì);將第一超聲波發(fā)射/接收探頭31與第三超聲波發(fā)射/接收探頭33間的距離及第二 超聲波發(fā)射/接收探頭32與第四超聲波發(fā)射/接收探頭34間的距離調(diào)整為相同距離，即丄^^等于丄^，具體計(jì)算過(guò)程為<formula>formula see original document page 11</formula>(3)<formula>formula see original document page 11</formula>(4)<formula>formula see original document page 11</formula>(5)<formula>formula see original document page 12</formula>(6)計(jì)算出r,和P^則有<formula>formula see original document page 12</formula>(7)(8)f，、 4￡、 rM、 ^sv可以測(cè)量出，Z^和A^為固定值，這樣就可以計(jì)算出風(fēng)速(r)、風(fēng)向(e)和聲速(c)其中 ￡ 超聲波從W傳播到E的時(shí)間，單位^ ;超聲波從N傳播到S的時(shí)間，單位^ ;超聲波從S傳播到N的時(shí)間，單位s ;丄船、兩組超聲波探頭間的距離，單位w^，風(fēng)沿E『的速度，單位w";風(fēng)沿iV5的速度，單位W";K :風(fēng)速，單位m/s;<9 :風(fēng)速和正北方向的夾角，單位度； C : 聲速，單位m/5:。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用工作頻率為400KHz的超聲波傳感器FUS-400A來(lái)作為超 聲波發(fā)射/接收探頭，該傳感器的工作頻率為400KHz，周期為2.5us，由此可得出超聲 波風(fēng)速儀的理論最大分辨率AV為固<formula>formula see original document page 12</formula>(10)在本實(shí)施例中設(shè)定丄M二丄陛二0.2m， C = 340w"，代入公式(10)中得 到v二0.02w/s 。本發(fā)明利用超聲波技術(shù)進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)量，由于沒(méi)有動(dòng)作部件，因此不受環(huán) 境影響，能夠適用于惡劣氣候條件下風(fēng)速的測(cè)量，真正實(shí)現(xiàn)全天候可靠工作，并且在 使用中不需要特別維護(hù)，節(jié)約了儀器的維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了儀器的使用壽命。同時(shí)本發(fā) 明運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法易于實(shí)現(xiàn)，所需設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可適用于各種惡 劣的測(cè)量環(huán)境，保證了測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，提高了測(cè)量精度。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超聲波風(fēng)速儀，其特征在于，所述風(fēng)速儀包括底座、控制電路板、四個(gè)測(cè)量臂和四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭；所述四個(gè)測(cè)量臂分別與所述底座相連，并且依次相鄰成90度夾角；所述四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭分別安裝在所述四個(gè)測(cè)量臂遠(yuǎn)離所述底座的一端；在所述四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭中，相對(duì)成180度角的兩對(duì)超聲波發(fā)射/接收探頭在同一水平面，并且與所述底座間的垂直距離相等。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波風(fēng)速儀，其特征在于，所述控制電路板上安裝 有中央處理單元，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并發(fā)出各種控制指令；電源電路，用于從外 部輸入電源并進(jìn)行電壓變換，為系統(tǒng)提供所需各種電源電壓；方波產(chǎn)生電路，用于產(chǎn) 生方波脈沖；超聲波收發(fā)電路，與所述方波產(chǎn)生電路相連接，用于接收和發(fā)射超聲波； 時(shí)間測(cè)量電路，與所述方波產(chǎn)生電路和所述超聲波收發(fā)電路相連接，用于測(cè)量超聲波 在空氣中的傳播時(shí)間；數(shù)字通信電路，與所述中央處理單元相連接，用于接收外部指 令，并與所述中央處理單元間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；模擬通訊電路，與所述中央處理單元相 連接，用于將測(cè)量的風(fēng)速和風(fēng)向轉(zhuǎn)變成電流輸出；模擬開關(guān)電路，與所述數(shù)字通信電 路及所述模擬通訊電路相連接，用于用于選擇不同的數(shù)據(jù)輸出方式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波風(fēng)速儀，其特征在于，所述超聲波風(fēng)速儀還包 括安裝在每個(gè)測(cè)量臂內(nèi)的加熱器，用于對(duì)所述超聲波發(fā)射/接收探頭進(jìn)行加熱；相應(yīng) 的，在所述測(cè)量臂內(nèi)還安裝有溫度測(cè)量電路，用于測(cè)量環(huán)境溫度，并將測(cè)量結(jié)果傳入 所述中央處理單元；相應(yīng)的，在所述控制電路板上還安裝有加熱電路，在所述中央處 理單元的控制下控制所述加熱器工作；所述加熱電路與所述加熱器通過(guò)導(dǎo)線相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超聲波風(fēng)速儀，其特征在于， 所述控制電路板安裝于所述底座內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的超聲波風(fēng)速儀，其特征在于， 所述底座為圓柱體或立方體。
6. —種運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法，其特征在于，所述方法包括 用第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第三超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì)方發(fā)送的超聲波的時(shí)間；用第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì) 方發(fā)送的超聲波的時(shí)間；根據(jù)測(cè)量到的時(shí)間、所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第三超聲波發(fā)射/接收裝置 間的距離及所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離計(jì)算 出風(fēng)速和風(fēng)向。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法，其特征在于，所 述第一超聲波發(fā)射/接收裝置與第三超聲波發(fā)射/接收裝置在同一水平面;所述第二超聲 波發(fā)射/接收裝置與第四超聲波發(fā)射/接收裝置在同一水平面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法，其特征在于，所 述第一超聲波發(fā)射/接收裝置、第二超聲波發(fā)射/接收裝置、第三超聲波發(fā)射/接收裝置 和第四超聲波發(fā)射/接收裝置依次相鄰成90度夾角，并且所述第一超聲波發(fā)射/接收裝 置和第三超聲波發(fā)射/接收裝置相對(duì)，所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射 /接收裝置相對(duì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法，其特征在于，所述 第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第三超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離與所述第二超聲波發(fā) 射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲波風(fēng)速儀，它包括底座、控制電路板、四個(gè)測(cè)量臂和四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭。四個(gè)測(cè)量臂分別與底座相連，并且依次相鄰成90度夾角；四個(gè)超聲波發(fā)射/接收探頭分別安裝在四個(gè)測(cè)量臂遠(yuǎn)離底座的一端，且相對(duì)成180度角的兩對(duì)探頭在同一水平面，并與底座間的垂直距離相等。同時(shí)本發(fā)明還公開了一種運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法，所述方法包括通過(guò)相對(duì)的兩對(duì)超聲波發(fā)射/接收探頭測(cè)量沿空氣傳播的正反兩個(gè)不同方向發(fā)射的超聲波到達(dá)接收端的時(shí)間差，并結(jié)合探頭之間的距離計(jì)算出空氣流動(dòng)速度。本發(fā)明解決了由動(dòng)作部件獲得測(cè)量信息的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)提高測(cè)量精度、延長(zhǎng)了儀器使用壽命以及適用于各種惡劣的測(cè)量環(huán)境。
文檔編號(hào)G01P13/02GK101236213SQ200810101288
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月3日
發(fā)明者鐘永勇 申請(qǐng)人:鐘永勇