專利名稱：移動式超聲波風速風向儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及風速風向測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種移動式超聲波風速風儀， 是一種可適用于輪船、汽車或現(xiàn)場氣體監(jiān)測等移動式或固定式情況下的風速風向測量儀
O
背景技術(shù)：
目前現(xiàn)有的風速風向儀主要為固定式測風儀；而在環(huán)境檢測、航海、工業(yè)風道檢測以及危險性氣體的測量和移動式氣象站的建設(shè)等領(lǐng)域，由于檢測系統(tǒng)本身的方向及速度等都是時刻在移動著，而傳統(tǒng)固定式測風儀由于沒有對方向及速度等方面進行測量和修正，因此，固定式風速風向儀無法滿足輪船、汽車、風電場等應(yīng)用環(huán)境中系統(tǒng)移動式情況下的風速風向測量應(yīng)用；而且傳統(tǒng)的機械式風速儀由于存在密封問題，使得風速儀在北方沙塵暴天氣中可能無法正常工作，在低溫環(huán)境下還會因結(jié)冰而將運動部件卡死等現(xiàn)象的發(fā)生；同時，機械式測風儀由于存在機械磨損等缺點，降低了儀器的使用壽命；熱敏式風速儀又因為容易受環(huán)境溫度變化的影響而不適宜測量稍高一點的風速；近年來使用的超聲波測風儀，由于使用8/16位等低位單片機作為微處理器，使得系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理、通信、測量精度方面都會造成一定的限制和誤差；另外，由于超聲波傳感器陰影效應(yīng)的存在，平面內(nèi)測風會造成大的測兩誤差。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種移動式超聲波風速及風向測量儀。該儀器通過相對固定的三對超聲波發(fā)射/接收傳感器測量隨空氣流動的正反兩個不同方向發(fā)射的超聲波到達接收端的時間差，利用時差法計算出空氣流動的速度，并利用儀器速度測量元件和方向測量部件對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行修正，從而獲得三維空間上的風速風向參數(shù)以及代表實際環(huán)境條件下風速風向的平面內(nèi)風速風向參數(shù)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種移動式超聲波風速風向儀，它包括超聲波三維風速風向測量單元、移動式系統(tǒng)載體速度測量單元以及系統(tǒng)載體方向測定單元，其中，所述的超聲波三維風速風向測量單元包括基座、控制電路板、三個長測量臂及三個短測量臂和六個超聲波發(fā)射/接收傳感器，六個測量臂分別與基座相連，并且長、短測量臂與基座相連的接點之間依次成60度夾角；六個測量臂遠離基座的一端安裝一個超聲波發(fā)射/接收傳感器，相對成180度的兩個測量臂上的傳感器也成180度相對，成對的傳感器之間的距離均相等；所述的控制電路板包括電源、微處理器及附屬電路、超聲波發(fā)射驅(qū)動電路及信號接收電路，所述超聲波發(fā)射驅(qū)動電路、信號接收電路分別連接微處理器的控制端及中斷端。本實用新型的移動式系統(tǒng)載體的速度測量單元包括一個速度傳感器，并通過導(dǎo)線與控制電路板相連接。所述移動式系統(tǒng)載體的方向測定單元包括一個方向測定部件，并通過RS232接口與微處理器相連接。本實用新型提供的移動式超聲波風速風向儀還包括安裝在控制電路板上的溫度傳感器，該溫度傳感器與微處理器相連，用于測量環(huán)境溫度，并將測量結(jié)果傳入微處理器。 相應(yīng)的，在所述控制電路板上還設(shè)有低溫加熱電路，該低溫加熱電路與微處理器的控制端相連接。本實用新型提供的移動式超聲波風速風向儀還包括液晶屏和按鍵，它們分別與微處理器的輸入和輸出電路相連。本實用新型提供的移動式超聲波風速風向儀設(shè)有與上位機通信的接口電路。本實用新型提供的移動式超聲波風速風向儀的控制電路板安裝于基座內(nèi)。上述裝置利用系統(tǒng)移動式載體速度及方向測定單元對所測參數(shù)進行修正，從而得出實際環(huán)境條件下的風速風向參數(shù)的方法。具體化步驟包括利用三對超聲波發(fā)射/接收傳感器測量出三維空間里的風速風向參數(shù)；利用系統(tǒng)移動式載體速度測量單元測量出移動式載體當時的移動速度；利用系統(tǒng)移動式載體方向測定單元測量出移動式載體當時的方向參數(shù)；結(jié)合測量出的速度及方向參數(shù)，根據(jù)三維空間矢量加、減法，對超聲波三維風速風向測量單元測量出的風速風向參數(shù)進行移動式情況的修正，從而得出實際環(huán)境條件下的風速風向參數(shù)。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1、利用速度測量元件及定向部件進行系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的修正，不僅解決了固定式儀器無法滿足移動式情況下風速風向測量的技術(shù)問題，同時采用可靠的方向測定部件進行系統(tǒng)的方向定位，解決了在山區(qū)及被遮擋等地方無法精確獲得方位數(shù)據(jù)的技術(shù)問題。2、 采用高頻的超聲波信號作為測量用信號以及結(jié)合采用高主頻的微處理器，不僅提高了系統(tǒng)的測量精度和分辨率，也提高了系統(tǒng)的通信能力；同時，采用獨特的電路設(shè)計減少了超聲波傳感器的陰影效應(yīng)對測量精度的影響；解決了現(xiàn)有技術(shù)測量精度低、自動化程度不高等技術(shù)問題。3、 利用超聲波技術(shù)進行風速風向的測量，由于沒有動作部件，因此不易受環(huán)境的影響，能夠適用于惡劣氣候條件下的風速風向的測量；解決了現(xiàn)有技術(shù)使用壽命短、容易受環(huán)境條件的影響等技術(shù)問題。

圖1是移動式超聲波風速風向儀結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2為測量控制電路原理框圖；圖3為超聲波三維風速風向測量單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為超聲波傳感器發(fā)射驅(qū)動電路圖；圖5為超聲波接收電路原理圖；圖6為速度傳感器輸入信號處理電路原理圖；圖7為低溫加熱電路原理圖；圖8為移動式情況下風速風向測量的程序流程框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對實用新型作進一步的描述[0028]如圖1所示是本實用新型的移動式超聲波風速風向儀結(jié)構(gòu)組成框圖，其超聲波風速風向測量單元負責測量移動情況下的風速風向參數(shù)，系統(tǒng)載體速度測量單元負責測量系統(tǒng)移動時載體的移動速度數(shù)，系統(tǒng)載體方向測量單元負責測量系統(tǒng)移動時載體的方向參數(shù)，系統(tǒng)控制單元則負責對移動情況下所測的風速風向參數(shù)進行系統(tǒng)修正，進而計算得出實際環(huán)境條件下的風速風向參數(shù)。如圖3所示為為本實用新型提供的移動式超聲波風速風向儀中的超聲波三維風速風向測量單元的結(jié)構(gòu)示意圖，本實用新型提供的超聲波風速風向測量單元包括基座1、控制電路板和安裝在基座上的六個測量臂第一測量臂21、第二測量臂22、第三測量臂23、第四測量臂24、第五測量臂25、第六測量臂26，六個測量臂包括三個等長的長測量臂和三個等長的短測量臂，長短測量臂與基座相連的接點之間依次相隔60 度。在各個測量臂上遠離基座的一端各安置一個超聲波發(fā)射/接收傳感器，分別為第一超聲波發(fā)射/接收傳感器31、第二超聲波發(fā)射/接收傳感器32、第三超聲波發(fā)射/接收傳感器33、第四超聲波發(fā)射/接收傳感器34、第五超聲波發(fā)射/接收傳感器35、第六超聲波發(fā)射 /接收傳感器36，且相對為180度角的兩個測量臂上的傳感器也成180度角相對安裝，即31 和34成180度角相對安裝、32和35成180度角相對安裝、33和36成180度角相對安裝， 即一個長測量臂與一個短測量臂組成一對，共三對測量臂；31、32、33與水平面分別成正45 度夾角，34、35、36與水平面分別成負45度夾角，且三對傳感器之間的距離均相等，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計可大大減小超聲波傳感器的陰影效應(yīng)對平面內(nèi)風速風向測量精度的影響，同時也可測量出三維空間里的風速風向參數(shù)，從而避免了傳統(tǒng)風速儀只能測量平面內(nèi)風速風向參數(shù)的缺點。超聲波發(fā)射/接收傳感器與控制電路板通過導(dǎo)線連接， 控制電路板安裝于基座 1內(nèi)。為使風速風向儀的結(jié)構(gòu)適宜移動性要求，本實用新型中三個短測量臂由不銹鋼、銅等較堅固的材料經(jīng)兩次彎折塑形而成，長測量臂則由相同材料經(jīng)三次彎折塑形而成。本實用新型中選用的超聲波發(fā)射/接收傳感器為具有較小溫度_聲速系數(shù)和聲阻抗的超聲波傳感器FUS-200A，不僅可用作發(fā)射信號，同時也可作為超聲波信號的接收傳感器，因此，解決了傳統(tǒng)超聲波分立安裝超聲波發(fā)射和接收傳感器的困難?；蛘咭部梢允褂酶咭稽c中心頻率的超聲波傳感器，但同時也會要求系統(tǒng)的發(fā)射功率會有所增加。本實用新型中控制電路板上采用的微處理器為ARM，這里選用三星公司的 s3c2440微處理器，其主頻可達到533MHz，定時器的輸入頻率更可高達50MHz及以上，使得系統(tǒng)的定時精度和測量精度都有大幅提升。微處理器作為系統(tǒng)的核心集成于控制電路板上，圖2所示為控制電路板及附屬電路的原理框圖。圖4和圖5中給出了超聲波風速風向測量單元的發(fā)射驅(qū)動電路和接收電路。圖4 中的NPN三極管通過微處理器發(fā)出脈沖來控制其導(dǎo)通與截止，從而使得電源功率經(jīng)變壓器后激勵超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波信號。由于超聲波發(fā)射/接收傳感器FUS-200A采用的是單探頭形式，因此，圖4和圖5中的A點相連，圖4中的TOUTO與圖5中的B均與微處理器的I/O引腳相連；其中變壓器的主要功能為阻抗匹配以及功率傳遞，并將12V直流電壓轉(zhuǎn)換為50V左右的直流脈沖電壓。移動式超聲波風速風向儀可采用RS485或RS232接口電路與上位機進行通信。另夕卜，控制電路板上還集成速度傳感器的連接輸入電路，該電路原理圖如圖6所示，主要負責速度傳感器傳入信號的處理和傳輸，系統(tǒng)利用速度傳感器對鐵磁材質(zhì)的齒輪(或凹槽)經(jīng)過傳感器元件表面時，感應(yīng)出的電壓會發(fā)生變化這一原理，從而產(chǎn)生電壓差，即提供了一個可測量脈沖信號，并且這個測量信號的頻率與轉(zhuǎn)速成正比。本系統(tǒng)中采用霍爾傳感器 N1H-5C-70作為速度傳感器，或者使用其他精度更好的速度傳感器進行代替，速度傳感器的輸出信號經(jīng)導(dǎo)線與控制電路板相連；同樣由于實際應(yīng)用環(huán)境可能存在各種干擾等，因此，控制電路板上集成有速度傳感器傳入信號的處理電路，如圖6所示為該信號的處理電路原理圖，該信號處理電路包括電流電壓轉(zhuǎn)換、整形等電路，而后連接至微處理器的I/O引腳。由于系統(tǒng)在移動時，其自身的方向可能是隨時變化的，因此，對系統(tǒng)自身的方向進行檢測也是必須的?，F(xiàn)代技術(shù)測方向可大概歸結(jié)為兩種方法一種是利用GPS定位系統(tǒng)，另一種是利用地球固有的磁力研制成的羅盤類方向測量部件，本系統(tǒng)采用具有數(shù)字通信能力的電子羅盤FNN-3300作為測量系統(tǒng)方向參數(shù)的核心部件，并通過RS232接口電路與微處理器相連接，使得通信更具可靠性?？紤]到系統(tǒng)可能處于OtlC以下的環(huán)境中進行風速風向的檢測，由于0°C以下的環(huán)境可能使傳感器的表面結(jié)冰而導(dǎo)致儀器的測量精度變差，因此，控制電路上還集成有環(huán)境溫度檢測電路和低溫加熱電路，溫度檢測電路的核心為數(shù)字傳感器LM92，溫度誤差小于1°C， 該溫度傳感器為1 接口，使用方便，也可以使用精度更高的溫度傳感器。圖7所示為低溫加熱電路原理圖，其中的加熱部分采用12v供壓的加熱片，加熱片可貼在測量臂的內(nèi)壁上， 在六個測量臂靠近超聲波傳感器的一端各安裝一組，并在基座內(nèi)的控制電路板上安裝兩組，其中的控制端均連接到微處理器的控制口 GPB3。當檢測到環(huán)境溫度低于5 時，此低溫加熱電路在微處理器的控制下對超聲波傳感器所處的測量臂內(nèi)區(qū)域進行加熱工作，而當溫度高于25 時，此低溫加熱電路經(jīng)微處理器控制而停止加熱工作；使得系統(tǒng)不會因所處的環(huán)境溫度過低而影響系統(tǒng)的工作。電源部分為整個系統(tǒng)提供電能，通?？梢圆捎脤⑿铍姵卣鳛V波的形式，為了方便，可使用汽車、輪船等自身的蓄電池供電。鍵盤部分，可以一種運用超聲波測量風速風向，并利用系統(tǒng)移動式載體速度及方向測定單元對所測參數(shù)進行修正，從而得出實際環(huán)境條件下的風速風向參數(shù)的方法。所述方法包括包含復(fù)位、系統(tǒng)自檢、通信頻率的設(shè)置等。本實用新型提供的移動式超聲波風速風向儀結(jié)構(gòu)簡單、精度高、自動化程度高、無可轉(zhuǎn)動部件，克服了傳統(tǒng)式風速儀不能應(yīng)用于移動式情況下進行風速風向測量的缺點，不僅可應(yīng)用于移動情況下的風速風向測量，也可應(yīng)用于固定式情況下的風速風向測量，同時克服了傳統(tǒng)機械式儀器依靠動作部件進行風速測量以及使用壽命短等缺陷。另外，本實用新型提供的移動式超聲波風速風向儀由于采用了三維空間里的風速風向測量方法以及減少傳感器陰影效應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，使得系統(tǒng)對平面內(nèi)的風速風向的測量精度有了較大的提高；同時，本實用新型提供的移動式超聲波風速風向儀由于采用了低溫加熱以及結(jié)構(gòu)封閉等措施， 使其不僅可在0°c以下的低溫環(huán)境中使用，以及在危險性氣體檢測、航海、工業(yè)風道檢測等領(lǐng)域都具有較大的適用性，同時也克服了由于沙塵等天氣因素對儀器測量精度的影響；不僅提高了移動式超聲波風速風向儀的測量精度，同時也擴大了超聲波風速風向儀的應(yīng)用范圍。以上所述僅為本實用新型的較佳實施方法，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.移動式超聲波風速風向儀，其特征是它包括超聲波三維風速風向測量單元、移動式系統(tǒng)載體速度測量單元以及系統(tǒng)載體方向測定單元，其中，所述的超聲波三維風速風向測量單元包括基座、控制電路板、三個長測量臂及三個短測量臂和六個超聲波發(fā)射/接收傳感器，六個測量臂分別與基座相連，并且長、短測量臂與基座相連的接點之間依次成60 度夾角；六個測量臂遠離基座的一端安裝一個超聲波發(fā)射/接收傳感器，相對成180度的兩個測量臂上的傳感器也成180度相對，成對的傳感器之間的距離均相等；所述的控制電路板包括電源、微處理器及附屬電路、超聲波發(fā)射驅(qū)動電路及信號接收電路，所述超聲波發(fā)射驅(qū)動電路、信號接收電路分別連接微處理器的控制端及中斷端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動式超聲波風速風向儀，其特征是所述移動式系統(tǒng)載體的速度測量單元包括一個速度傳感器，并通過導(dǎo)線與控制電路板相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動式超聲波風速風向儀，其特征是所述移動式系統(tǒng)載體的方向測定單元包括一個方向測定部件，并通過RS232接口與微處理器相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動式超聲波風速風向儀，其特征是該儀器還設(shè)有溫度傳感器，該溫度傳感器與微處理器相連；相應(yīng)的，在所述控制電路板上還安裝有低溫加熱電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動式超聲波風速風向儀，其特征是該儀器還包括液晶屏和按鍵，它們分別與微處理器的輸入和輸出電路相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動式超聲波風速風向儀，其特征是所述控制電路板還設(shè)有與上位機通信的接口電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動式超聲波風速風向儀，其特征是所述控制電路板安裝于所述基座內(nèi)。
專利摘要本實用新型公開一種移動式超聲波風速風向儀，它包括超聲波風速風向測量單元、移動式系統(tǒng)載體速度測量單元以及載體方向測定單元，風速風向測量單元包括基座、控制電路板、六個測量臂和六個超聲波發(fā)射/接收傳感器，六個測量臂分別與基座相連，并且依次成60度夾角；每個測量臂上各設(shè)一個超聲波傳感器；系統(tǒng)載體的速度及方向測量單元包括速度傳感器和方向測定部件，并分別與控制電路板相連接；所述控制電路板包括電源、微處理器及附屬電路、超聲波發(fā)射驅(qū)動及接收電路，所述超聲波發(fā)射驅(qū)動電路、接收電路連接微處理器的控制端和中斷端。該移動式超聲波風速風向儀是一可用作固定式或航海、汽車等移動式氣象觀測領(lǐng)域的風速風向測量。
文檔編號G01P13/02GK201984080SQ20112002589
公開日2011年9月21日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者張自嘉, 葛志鑫 申請人:南京信息工程大學(xué)