一種風(fēng)速風(fēng)向的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風(fēng)速風(fēng)向的測量方法，包括以下步驟：首先，設(shè)置兩對相互垂直且處于同一個平面內(nèi)的具有收發(fā)功能的超聲波換能器，并在兩對超聲波換能器上方設(shè)置一個超聲波反射板；其次，分別測量獲取各換能器對中兩個換能器接收到來自對方通過超聲波反射板發(fā)送的超聲波的傳播時間；接著，依據(jù)測量的超聲波傳播時間，以及對應(yīng)的超聲波換能器對中相對的兩個換能器的間距，得出相應(yīng)的超聲波傳播速度；最后，根據(jù)相應(yīng)的超聲波傳播速度，算出通過其中的風(fēng)速風(fēng)向。本發(fā)明測量風(fēng)速風(fēng)向不受環(huán)境影響，測量精度高，系統(tǒng)成本低。
【專利說明】
_種風(fēng)速風(fēng)向的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)速風(fēng)向測量領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于機械式風(fēng)速風(fēng)向儀不易攜帶，機器壽命短且誤差大，因此，采用超聲波的風(fēng)速風(fēng)向儀器越來越受到用戶的歡迎。
[0003]超聲波法測量風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)鍵技術(shù)在于，測量超聲波在兩個超聲波換能器間的傳播速度，即超聲從發(fā)射換能器到接收換能器傳播時間的精確測量。目前市面上的超聲波測量傳播時間的方法有:
A:尋找最大峰值過零點法:換能器a發(fā)射完一定數(shù)量的超聲波信號后，從換能器b上采集超聲波的接收信號。接收信號采集完成后首先逐點比較模數(shù)(AD)采樣點，并找出最大峰值的波形，計算出其過零點的時刻(波形幅度最大的過零點，對應(yīng)的發(fā)射波形為發(fā)射波的最后一個波的過零點)，通過計算換能器a發(fā)出的最后一個波的過零點與換能器b接收到的最大的一個波的過零點之間的時間差即為超聲波從換能器a到換能器b的傳播的時間。該方法需要快速的AD采樣并計算出最大峰值波形，所以在電路成本上有所增加，不適合采用比較便宜的單片機實現(xiàn)。
[0004]B:尋找起始波法:通過測量接收換能器接收到的起振波形峰值，計算得出接收波形的起始波時間，發(fā)射波形的起始時間與起始波形的起始時間差即為超聲在兩個換能器傳播的時間。該方法的缺點是:會引入誤差或需要比較高速的AD采用及數(shù)字計算，提高的器件成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于為克服上述問題而提供一種測量精度高，測量設(shè)備成本低、耐用的風(fēng)速風(fēng)向的測量方法。
[0006]為此，本發(fā)明公開了一種風(fēng)速風(fēng)向的測量方法，包括以下步驟:
S1:設(shè)置兩對相互垂直且處于同一個平面內(nèi)的具有收發(fā)功能的超聲波換能器，設(shè)其中一對超聲波換能器連成的直線為X軸，另一對超聲波換能器連成的直線為Y軸，并在兩對超聲波換能器上方設(shè)置一個超聲波反射板；
S2:分別測量獲取X軸換能器對中其中一個換能器通過超聲波反射板向另外一個換能器發(fā)送超聲波的傳播時間txl和另外一個換能器通過超聲波反射板向其中一個換能器發(fā)送超聲波的傳播時間tx2，以及Y軸換能器對中其中一個換能器通過超聲波反射板向另外一個換能器發(fā)送超聲波的傳播時間tyl，另外一個換能器通過超聲波反射板向其中一個換能器發(fā)送超聲波的傳播時間ty2，具體方法為:
采用一串有相移的脈沖波激勵超聲波發(fā)射換能器，在超聲波接收換能器端，對接收到的波形進行整形，并尋找到整形后的波形脈沖有相移的時間點，整形后的和發(fā)射的波形對應(yīng)的相移點的時間差則為超聲波換能器接收到來自對方的超聲波傳播時間； 53:依據(jù)測量的超聲波傳播時間txl、tx2、tyl、ty2，以及對應(yīng)的超聲波換能器對中相對的兩個換能器的間距，得出相應(yīng)的超聲波傳播速度Vxl、Vx2、Vyl、Vy2 ;
54:通過超聲波傳播速度Vxl、Vx2、Vy1、Vy2，算出通過的風(fēng)速、風(fēng)向分別為:
風(fēng)速:V=( ((Vx2-Vxi) X COS^)2+((Vy2-Vyi) X COS^)2)172
風(fēng)向:φ=θ+φ =arctan((Vx2_ Vxi)/(Vy2-Vyi))+ φ
其中，Θ為風(fēng)向Φ與X坐標(biāo)軸的夾角，Φ為Χ，Υ坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的夾角，β為超聲波換能器發(fā)射方向與Χ，Υ坐標(biāo)系的夾角。
[0007]進一步的，所述步驟S2中，脈沖波為矩形的脈沖波。
[0008]進一步的，所述步驟S2中，對接收到的超聲波進行整形前還對其進行放大濾波。
[0009]本發(fā)明的有益技術(shù)效果:
本發(fā)明采用一串有相移的脈沖波激勵超聲波發(fā)射換能器，在接收端，對接收到的波形進行整形，并尋找到接收波形脈沖有相移的時間點，從而得出超聲波在兩個換能器間傳播的時間，對電路系統(tǒng)要求簡單，普通單片機即可實現(xiàn)，成本低，且測量的風(fēng)速風(fēng)向不受環(huán)境影響，測量精度高，相應(yīng)的設(shè)備耐用壽命長。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實施例中的超聲波換能器布置示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例中的超聲波傳播路徑示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例中的脈沖波形圖；
圖4為本發(fā)明實施例中的正弦波形圖；
圖5為本發(fā)明實施例中的整形后的脈沖波形圖。
【具體實施方式】
[0011]現(xiàn)結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0012 ] —種風(fēng)速風(fēng)向的測量方法，包括以下步驟:
S1:如圖1和圖2所示，設(shè)置兩對相互垂直且處于同一個平面內(nèi)的具有收發(fā)功能的超聲波換能器51、53和52、54，設(shè)其中一對超聲波換能器52、54連成的直線為X軸，另一對超聲波換能器51、53連成的直線為Y軸，并在兩對超聲波換能器上方設(shè)置一個超聲波反射板4。
[0013]S2:分別測量獲取超聲波由換能器54發(fā)射超聲波，并通過超聲波反射板4反射到換能器52的傳播時間txl，由換能器52發(fā)射超聲波，并通過超聲波反射板4反射到換能器54的傳播時間tx2、由換能器53發(fā)射超聲波，并通過超聲波反射板4反射到換能器51的傳播時間tyl、由換能器51發(fā)射超聲波，并通過超聲波反射板4反射到換能器53的傳播時間ty2，具體方法為:
S21:對超聲波發(fā)射換能器施加一串有相移的周期為T的脈沖波，本實施例中脈沖波采用矩形脈沖波(在其它實施例中也可以是正弦波或三角波等)，其波形如圖3所示，將相移點(本實施例中選11/12T末1/2T初，在其它實施例中也可以為其它時刻點)對應(yīng)的時刻作為超聲波發(fā)射的起始時間tl。
[0014]S22:對超聲波接收換能器接收到的超聲波進行放大濾波(去除噪音干擾，增強有用信號強度，從而提高測量精度)，得到正弦波形，如圖4所示。
[0015]S23:對接收到的正弦波形進行整形得到和發(fā)射相同的具有相移的矩形脈沖波，如圖5所示。
[0016]S24:通過對整形后的脈沖波形進行上升沿計數(shù)，如果連續(xù)接收到時間周期為T，11/12T，I/2T，T，4個上升沿時間點，則11/12T末I/2T初對于的時間12與超聲波發(fā)射時的11之間的差則為超聲波換能器接收到來自對方的超聲波傳播時間。
[0017]該方法的好處為:1.對電路系統(tǒng)要求簡單，普通單片機既可以實現(xiàn);2.由于測試點前后的時間段里，發(fā)射換能器都有驅(qū)動電壓，其信號抗干擾能力強，測試的超聲傳播時間準(zhǔn)確。
[0018]S3:由于超聲波換能器51和53，52和54的距離固定，超聲波發(fā)射角度可以預(yù)先測量出來，從而超聲波的傳播距離就可以確定，再依據(jù)測量得到的超聲波傳播時間txl、tx2、tyl、ty2，可以計算得出相應(yīng)的超聲波由換能器54發(fā)射到52的傳播速度Vxl、由換能器52發(fā)射到54的傳播速度Vx2、由換能器53發(fā)射到51的傳播速度Vyl、由換能器51發(fā)射到53的傳播速度Vy2。
[0019]S4:設(shè)在超聲換能器51，52，53，54組成的直角坐標(biāo)系中，風(fēng)向11>與該坐標(biāo)系乂軸的夾角為Θ，該坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系夾角為Φ，通過傳播速度Vxl、Vx2、Vyl、Vy2，可以算出通過其中的風(fēng)速、風(fēng)向分別為:
風(fēng)速:V=( ((Vx2-Vxi) X COS^)2+((Vy2-Vyi) X COS^)2)172風(fēng)向:φ=θ+φ =arctan((Vx2_ Vxi)/(Vy2-Vyi))+ φ。
[0020]其中，β為超聲波換能器發(fā)射方向與X，Y坐標(biāo)系的夾角。
[0021]具體的，本實施例中，β為45度，則風(fēng)速、風(fēng)向分別為:
風(fēng)速:V=(((VX2-Vxi)/1.414)2+((Vy2-Vyl)/1.414)2)1/2風(fēng)向:φ=θ+φ =arctan((Vx2_ Vxi)/(Vy2-Vyi))+ φ。
[0022]盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種風(fēng)速風(fēng)向的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: S1:設(shè)置兩對相互垂直且處于同一個平面內(nèi)的具有收發(fā)功能的超聲波換能器，設(shè)其中一對超聲波換能器連成的直線為X軸，另一對超聲波換能器連成的直線為Y軸，并在兩對超聲波換能器上方設(shè)置一個超聲波反射板； S2:分別測量獲取X軸換能器對中其中一個換能器通過超聲波反射板向另一個換能器發(fā)送超聲波的傳播時間txl和另一個換能器通過超聲波反射板向其中一個換能器發(fā)送超聲波的傳播時間tx2，以及Y軸換能器對中其中一個換能器通過超聲波反射板向另一個換能器發(fā)送超聲波的傳播時間tyl，另一個換能器通過超聲波反射板向其中一個換能器發(fā)送超聲波的傳播時間ty2，具體方法為: 采用一串有相移的脈沖波激勵超聲波發(fā)射換能器，在超聲波接收換能器端，對接收到的波形進行整形，并尋找到整形后的波形脈沖有相移的時間點，整形后的和發(fā)射的波形對應(yīng)的相移點的時間差則為超聲波換能器接收到來自對方的超聲波傳播時間； 53:依據(jù)測量的超聲波傳播時間txl、tx2、tyl、ty2，以及對應(yīng)的超聲波換能器對中相對的兩個換能器的間距，得出相應(yīng)的超聲波傳播速度Vxl、Vx2、Vyl、Vy2; 54:通過超聲波傳播速度Vxl、Vx2、Vy1、Vy2，算出通過的風(fēng)速、風(fēng)向分別為: 風(fēng)速:V= (((Vx2-Vxi) X COS^)2+((Vy2-Vyi) X COS^)2)172 風(fēng)向:i])=0+(})=a;rctan((Vx2- Vxi)/(Vy2-Vyi))+ φ 其中，Θ為風(fēng)向Φ與X坐標(biāo)軸的夾角，Φ為X，￥坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的夾角，β為超聲波換能器發(fā)射方向與Χ，Υ坐標(biāo)系的夾角。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速風(fēng)向的測量方法，其特征在于:所述步驟S2中，脈沖波為矩形的脈沖波。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速風(fēng)向的測量方法，其特征在于:所述步驟S2中，對接收到的超聲波進行整形前還對其進行放大濾波。
【文檔編號】G01P5/24GK105911308SQ201610411484
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】馮啟源, 蘇曉丹, 馬建偉
【申請人】中科同德（廈門）物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司