一種三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)，特別涉及一種三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，與傳統(tǒng)的機械式風(fēng)速風(fēng)向儀相比較，超聲波測風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)勢有：無啟動風(fēng) 速限制，環(huán)境適應(yīng)能力強，可適應(yīng)全天侯天氣，沒有機械磨損、不易腐蝕，使用壽命長、精度 高、智能化、高可靠性，安裝簡單、維護(hù)及校正簡便等；其不僅可以滿足軍事領(lǐng)域的氣象測風(fēng) 需求，而且在民用上也有很多的用途，例如在氣候氣象、城市環(huán)境監(jiān)測、風(fēng)力發(fā)電氣象監(jiān)測、 橋梁隧道、汽車高速公路、航海船舶和航空機場等方面有相當(dāng)好的應(yīng)用前景，另外也可以作 為一個小型的氣象站，應(yīng)用前景非常廣泛。
[0003] 現(xiàn)有的超聲波測風(fēng)系統(tǒng)，大多只能測量平面二維的風(fēng)速風(fēng)向，比較典型的有中國 專利"超聲波風(fēng)速儀及運用超聲波測量風(fēng)速和風(fēng)向的方法（【申請?zhí)枴?00810101288. 6)"所 提出的四臂、二維超聲波風(fēng)速儀，和中國專利"反射式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及其測量方法（申 請?zhí)枺?01110175615. 4)"所提出的反射式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀；中國專利"超聲波三維測風(fēng) 方法和三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀（【申請?zhí)枴?01110123546. 2) "、中國專利"一種風(fēng)電場三維超 聲波風(fēng)速溫度檢測系統(tǒng)及其測量方法（【申請?zhí)枴?01310081265. 4)"和中國專利"一種風(fēng)電 場超聲波風(fēng)速檢測方法及裝置（【申請?zhí)枴?01310081679. 7) "采用了不同的結(jié)構(gòu)或方法以獲 取三維風(fēng)速風(fēng)向，但普遍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，不利于成本的控制和產(chǎn)品的推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的三維超聲波測風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于成本 的控制和產(chǎn)品推廣的問題而提供的一種三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)。
[0005] 本實用新型提供的三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)包括有安裝座、數(shù)個測量臂、與 測量臂相應(yīng)數(shù)量的超聲波探頭和控制及處理電路板，其中一個測量臂固定在安裝座頂面的 中心部位，其余測量臂圍設(shè)在安裝座頂面的周圈，超聲波探頭設(shè)在測量臂的頂端，控制及處 理電路板設(shè)在安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與超聲波探頭連接并控制超聲波探頭的工作。
[0006] 測量臂設(shè)有四個，圍設(shè)在安裝座頂面周圈的測量臂設(shè)有三個，安裝座頂面周圈的 相鄰測量臂之間的夾角為120°，安裝座頂面周圈的三個測量臂頂端的超聲波探頭處于同 一水平面。
[0007] 控制及處理電路板為印刷電路板，用于控制和驅(qū)動各超聲波探頭的接收和發(fā)送， 以及對接收信號進(jìn)行處理，得到風(fēng)速和風(fēng)向信息，控制及處理電路板包括：與超聲波探頭對 應(yīng)數(shù)量的收發(fā)模塊、模擬開關(guān)模塊、放大濾波模塊、信號截取模塊、包絡(luò)提取模塊、滯回比較 模塊、控制及數(shù)據(jù)處理模塊和通信接口，其中各收發(fā)模塊與對應(yīng)的超聲波探頭連接，用于驅(qū) 動超聲波探頭發(fā)出超聲波和接收空間中的超聲波信號，并將該超聲波收發(fā)信號轉(zhuǎn)化為電信 號，收發(fā)模塊的控制信號由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，各收發(fā)模塊的輸出端分別與模擬開 關(guān)模塊的輸入端連接，模擬開關(guān)模塊的控制信號由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，模擬開關(guān)模 塊的輸出端與放大濾波模塊連接，通過控制及數(shù)據(jù)處理模塊的控制，模擬開關(guān)模塊將發(fā)射 信號和需要的接收信號傳遞給放大濾波模塊，阻止不需要的信號通過；放大濾波模塊對模 擬開關(guān)模塊的輸出信號進(jìn)行放大和濾波，放大濾波模塊的輸出端與信號截取模塊連接，信 號截取模塊截取放大濾波模塊輸出的信號軸線以上的信號，并傳遞給包絡(luò)提取模塊，包絡(luò) 提取模塊對信號截取模塊的輸出信號進(jìn)行包絡(luò)提取，并將其翻轉(zhuǎn)到軸線下方，包絡(luò)提取模 塊的輸出端與滯回比較模塊的輸入端連接，滯回比較模塊通過一個滯回比較器將包絡(luò)提取 模塊的信號轉(zhuǎn)化為兩個脈沖，并傳遞給控制及數(shù)據(jù)處理模塊，控制及數(shù)據(jù)處理模塊控制系 統(tǒng)的運行、對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到風(fēng)速風(fēng)向和通過串行通信接口與外部儀器儀表進(jìn)行通 信，其核心是一塊微處理器；通信接口與控制及數(shù)據(jù)處理模塊中微處理器的串行通信口連 接，通信接口為RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
[0008] 本實用新型提供的三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向的測量方法，其具體方法如下所述：
[0009] 第一步、系統(tǒng)上電后，控制及數(shù)據(jù)處理模塊對各模塊進(jìn)行初始化，然后依次驅(qū)動安 裝座頂面周圈的超聲波探頭發(fā)出十個脈沖的超聲波信號，此時通過模擬開關(guān)模塊選通安裝 座頂面中心部位的超聲波探頭作為接收探頭，該超聲波探頭將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)化為 電信號，該電信號和發(fā)射信號經(jīng)過模擬開關(guān)模塊、放大濾波模塊、信號截取模塊、包絡(luò)提取 模塊、滯回比較模塊后進(jìn)入控制及數(shù)據(jù)處理模塊的捕獲引腳，通過處理器的捕獲功能分別 測得滯回比較模塊輸出的兩個脈沖下降沿之間的時間差得到超聲波從安裝座頂面周圈的 超聲波探頭到安裝座頂面中心部位的超聲波探頭的傳遞時間tl、t2、t3 ;然后三次驅(qū)動安 裝座頂面中心部位的超聲波探頭發(fā)出十個脈沖的超聲波信號，分別選通安裝座頂面周圈的 超聲波探頭作為接收探頭，得到超聲波從安裝座頂面周圈的超聲波探頭到安裝座頂面中心 部位的超聲波探頭的傳遞時間t4、t5、t6 ;
[0010] 第二步、根據(jù)傳遞時間tl和t4采用間接時差法可得到風(fēng)速沿安裝座頂面周圈的 第一個超聲波探頭與安裝座頂面中心部位的超聲波探頭方向上的風(fēng)速分量VI，間接時差法 的原理如下：
[0011] 設(shè)聲速為C，風(fēng)速分量Vl指向安裝座頂面周圈的第一個超聲波探頭，則超聲波從 安裝座頂面中心部位的超聲波探頭傳播到安裝座頂面周圈的任一超聲波探頭為順風(fēng)，此 時，超聲波的傳播速度為：
[0012] Vs24s2I= C+V1
[0013] 設(shè)上述兩個超聲波探頭間的距離為d，則超聲波的傳播時間為：
[0014]
【主權(quán)項】
1. 一種三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)，其特征在于：包括有安裝座、數(shù)個測量臂、與測 量臂相應(yīng)數(shù)量的超聲波探頭和控制及處理電路板，其中一個測量臂固定在安裝座頂面的中 心部位，其余測量臂圍設(shè)在安裝座頂面的周圈，超聲波探頭設(shè)在測量臂的頂端，控制及處理 電路板設(shè)在安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與超聲波探頭連接并控制超聲波探頭的工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的測 量臂設(shè)有四個，圍設(shè)在安裝座頂面周圈的測量臂設(shè)有三個，安裝座頂面周圈的相鄰測量臂 之間的夾角為120°，安裝座頂面周圈的三個測量臂頂端的超聲波探頭處于同一水平面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的控 制及處理電路板為印刷電路板，用于控制和驅(qū)動各超聲波探頭的接收和發(fā)送，以及對接收 信號進(jìn)行處理，得到風(fēng)速和風(fēng)向信息，控制及處理電路板包括：與超聲波探頭對應(yīng)數(shù)量的收 發(fā)模塊、模擬開關(guān)模塊、放大濾波模塊、信號截取模塊、包絡(luò)提取模塊、滯回比較模塊、控制 及數(shù)據(jù)處理模塊和通信接口，其中各收發(fā)模塊與對應(yīng)的超聲波探頭連接，用于驅(qū)動超聲波 探頭發(fā)出超聲波和接收空間中的超聲波信號，并將該超聲波收發(fā)信號轉(zhuǎn)化為電信號，收發(fā) 模塊的控制信號由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，各收發(fā)模塊的輸出端分別與模擬開關(guān)模塊的 輸入端連接，模擬開關(guān)模塊的控制信號由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，模擬開關(guān)模塊的輸出 端與放大濾波模塊連接，通過控制及數(shù)據(jù)處理模塊的控制，模擬開關(guān)模塊將發(fā)射信號和需 要的接收信號傳遞給放大濾波模塊，阻止不需要的信號通過；放大濾波模塊對模擬開關(guān)模 塊的輸出信號進(jìn)行放大和濾波，放大濾波模塊的輸出端與信號截取模塊連接，信號截取模 塊截取放大濾波模塊輸出的信號軸線以上的信號，并傳遞給包絡(luò)提取模塊，包絡(luò)提取模塊 對信號截取模塊的輸出信號進(jìn)行包絡(luò)提取，并將其翻轉(zhuǎn)到軸線下方，包絡(luò)提取模塊的輸出 端與滯回比較模塊的輸入端連接，滯回比較模塊通過一個滯回比較器將包絡(luò)提取模塊的信 號轉(zhuǎn)化為兩個脈沖，并傳遞給控制及數(shù)據(jù)處理模塊，控制及數(shù)據(jù)處理模塊控制系統(tǒng)的運行、 對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到風(fēng)速風(fēng)向和通過串行通信接口與外部儀器儀表進(jìn)行通信，其核心 是一塊微處理器；通信接口與控制及數(shù)據(jù)處理模塊中微處理器的串行通信口連接，通信接 口為RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
【專利摘要】本實用新型公開了一種三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)，包括有安裝座、數(shù)個測量臂、與測量臂相應(yīng)數(shù)量的超聲波探頭和控制及處理電路板，其中一個測量臂固定在安裝座頂面的中心部位，其余測量臂圍設(shè)在安裝座頂面的周圈，超聲波探頭設(shè)在測量臂的頂端，控制及處理電路板設(shè)在安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與超聲波探頭連接并控制超聲波探頭的工作。測量方法如下所述：第一步、控制及數(shù)據(jù)處理模塊對各模塊進(jìn)行初始化；第二步、根據(jù)傳遞時間t1和t4采用間接時差法可得風(fēng)速分量V1；第三步、得到三維的風(fēng)速值和風(fēng)向值；第四步、得到實時的三維風(fēng)速和風(fēng)向；有益效果：接收信號穩(wěn)定；大大降低了儀器成本；測量精度高，實時性好。
【IPC分類】G01P5-24, G01P13-02
【公開號】CN204347060
【申請?zhí)枴緾N201520057657
【發(fā)明人】朱蘭香, 梁亮, 常大俊, 龔大龍, 王金環(huán), 崔立波, 賈友波, 董勁峰, 王皓, 石要武
【申請人】長春建筑學(xué)院, 吉林大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月27日