一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種于基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，包括超聲波換能器測風(fēng)裝置、信息控制箱、溫濕度采集模塊、LED顯示器、SD卡、時(shí)鐘模塊和PC接收監(jiān)測終端。所述的超聲波換能器測風(fēng)裝置由超聲波換能器陣列、主殼體、頂蓋、柱臂、超聲波換能器安裝固定接頭和連接臂組成；超聲波換能器設(shè)置在柱臂內(nèi)，組成超聲波換能器陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測。溫濕度傳感器采集外部環(huán)境數(shù)據(jù)，用于測風(fēng)系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償，提高測風(fēng)精度。超聲波測風(fēng)系統(tǒng)所測得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在信息采集箱內(nèi)可以通過LCD顯示查驗(yàn)記錄，并通過GPRS模塊發(fā)送到PC終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的測風(fēng)系統(tǒng)提高了測風(fēng)精度，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。
【專利說明】
-種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于氣象要素風(fēng)的測量領(lǐng)域，具體設(shè)及一種于基于超聲波換能器的測 風(fēng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)是由空氣流動(dòng)引起的一種自然現(xiàn)象，也是重要的氣象要素，本身蘊(yùn)含著豐富的 能量，是寶貴的可再生資源。風(fēng)對(duì)人類的生產(chǎn)生活有著巨大的影響，如風(fēng)力發(fā)電，航海航空， 環(huán)境監(jiān)測，風(fēng)力災(zāi)害預(yù)警，軍事活動(dòng)等。
[0003] 目前，國內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向測量方法主要為機(jī)械式，在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，由于機(jī)械部件 之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，引入啟動(dòng)風(fēng)速的問題。當(dāng)風(fēng)場的風(fēng)速很小時(shí)，風(fēng)杯不會(huì)出現(xiàn)靈敏的轉(zhuǎn)動(dòng)， 甚至不轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測量此時(shí)的風(fēng)速值。機(jī)械式測風(fēng)方式大多應(yīng)用在開放式外部環(huán) 境，氣候條件復(fù)雜，測量的機(jī)械部件很容易遭受到不同程度的損壞和腐蝕。
[0004] 超聲波測風(fēng)損耗小，范圍廣，響應(yīng)快，精度高，易于安裝。能夠克服機(jī)械測風(fēng)遲滯、 盲區(qū)和精度低等缺陷，本實(shí)用新型采用全新?lián)Q能器陣列結(jié)構(gòu)并采用全新環(huán)境補(bǔ)償算法減小 現(xiàn)有超聲波測風(fēng)儀器廣泛易受空氣的端流影響和環(huán)境干擾，提高測量精度。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng) 是針對(duì)當(dāng)前一些測風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)和完善。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:一種基于超聲波換能器的 測風(fēng)系統(tǒng)，包括超聲波換能器測風(fēng)裝置、信息控制箱、溫濕度采集模塊、L邸顯示器、SD卡、時(shí) 鐘模塊和PC接收監(jiān)測終端.
[0007] 所述的超聲波換能器測風(fēng)裝置由超聲波換能器陣列、主殼體、頂蓋、柱臂、超聲波 換能器安裝固定接頭和連接臂組成;所述的超聲波換能器陣列通過超聲波換能器安裝固定 接頭安裝于柱臂的頂部;所述的柱臂安裝于主殼體上，主殼體頂部設(shè)置有頂蓋，主殼體內(nèi)設(shè) 置有測風(fēng)控制電路;主殼體的底部設(shè)置有用于與外部結(jié)構(gòu)連接固定的連接臂；
[000引所述的信息控制箱接收超聲波換能器測風(fēng)裝置、溫濕度采集模塊W及時(shí)鐘模塊發(fā) 送的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)W及時(shí)間數(shù)據(jù)，并將接收到的信息發(fā)送到PC監(jiān)測終端并存 儲(chǔ)在SD卡中；LCD顯示器用于查看SD卡中的數(shù)據(jù)。
[0009] 進(jìn)一步地，所述的超聲波換能器陣列由六個(gè)超聲波換能器組成，六個(gè)超聲波換能 器組成Ξ個(gè)對(duì)射組，每個(gè)柱臂的頂部安裝兩個(gè)超聲波換能器探頭。
[0010] 進(jìn)一步地，Ξ個(gè)所述的對(duì)射組排列成等邊Ξ角形結(jié)構(gòu)，且有一對(duì)射組沿正北方向 設(shè)置。
[0011] 進(jìn)一步地，每一對(duì)射組中兩個(gè)超聲波換能器間夾角為60°，間距為250mm。
[0012] 進(jìn)一步地，所述的超聲波換能器的晶片為圓形，直徑為10mm，超聲波換能器為收發(fā) 一體。
[0013] 進(jìn)一步地，所述的柱臂為不誘鋼圓柱形結(jié)構(gòu)。
[0014] 進(jìn)一步地，所述的頂蓋上有指北方向標(biāo)和數(shù)字指南針。
[0015] 進(jìn)一步地，所述的測風(fēng)電路設(shè)置數(shù)據(jù)通訊接口，信息控制箱通過數(shù)據(jù)通訊接口與 測風(fēng)電路通訊。
[0016] 進(jìn)一步地，所述的測風(fēng)電路設(shè)置擴(kuò)展口，擴(kuò)展口用于測風(fēng)電路升級(jí)調(diào)試、二次開 發(fā)。
[0017] 進(jìn)一步地，所述的信息控制箱通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC監(jiān)測終端。
[0018] 本實(shí)用新型的有益效果：
[0019] 1)本實(shí)用新型采用6個(gè)超聲波換能器組成一個(gè)新的陣列，減小風(fēng)速、風(fēng)向測量時(shí)因 空氣流體帶來的端流干擾，提高測量精度；
[0020] 2)溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素的變化會(huì)影響測風(fēng)儀器的性能，本實(shí)用新型借助支 持向量機(jī)(SVM)強(qiáng)大的非線性回歸能力，建立溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)同測風(fēng)的非線性關(guān)系， 減小環(huán)境因素帶來的誤差；
[0021] 3)測風(fēng)系統(tǒng)將測得數(shù)據(jù)、當(dāng)前時(shí)間，通過GPRS模塊與PC監(jiān)測終端通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交 互，并將數(shù)據(jù)保存到SD卡中，此外工作人員可W到現(xiàn)場調(diào)出SD卡數(shù)據(jù)，通過LCD顯示電路查 看記錄；
[0022] 4)本新型超聲波測風(fēng)系統(tǒng)，可單獨(dú)作為測風(fēng)設(shè)備實(shí)用，也可配置于自動(dòng)氣象站聯(lián) 合使用。
【附圖說明】
[0023] 圖1是超聲波測風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
[0024] 圖2是超聲波換能器陣列俯視圖。
[0025] 圖3是超聲波換能器陣列底視圖。
[00%]圖4是測風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境補(bǔ)償模型。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作詳細(xì)說明。
[0028] 如圖1-3所示為本實(shí)用新型的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，包括超聲波換 能器測風(fēng)裝置、信息控制箱10、溫濕度采集模塊11、L抓顯示器12、SD卡15、時(shí)鐘模塊13和PC 接收監(jiān)測終端14。
[0029] 超聲波換能器測風(fēng)裝置為由六個(gè)超聲波換能器(換能器A~換能器F(16~21))組 成的超聲波換能器陣列、主殼體8、頂蓋7、3個(gè)柱臂(柱臂A~柱臂C(4~6))、超聲波換能器安 裝固定接頭(超聲波換能器安裝固定接頭A~超聲波換能器安裝固定接頭C(1~3))和連接 臂9組成;超聲波換能器陣列通過超聲波換能器安裝固定接頭（1、2、3)安裝于柱臂(4、5、6) 的頂部;柱臂(4、5、6)安裝于主殼體8上，主殼體8頂部設(shè)置有頂蓋7,頂蓋7上有指北方向標(biāo) 23和數(shù)字指南針22，用于指導(dǎo)設(shè)備安裝；主殼體8內(nèi)設(shè)置有測風(fēng)控制電路;測風(fēng)電路設(shè)置數(shù) 據(jù)通訊接口 24和擴(kuò)展口 25,信息控制箱10通過數(shù)據(jù)通訊接口 24與測風(fēng)電路通訊，擴(kuò)展口 25 用于測風(fēng)電路升級(jí)調(diào)試、二次開發(fā);主殼體8的底部設(shè)置有用于與外部結(jié)構(gòu)連接固定的連接 臂9。
[0030] 信息控制箱10接收超聲波換能器測風(fēng)裝置、溫濕度采集模塊11W及時(shí)鐘模塊13發(fā) 送的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)W及時(shí)間數(shù)據(jù)，并將接收到的信息通過GPRS模塊發(fā)送到PC 監(jiān)測終端并存儲(chǔ)在SD卡中；LCD顯示器12用于查看SD卡15中的數(shù)據(jù)。
[0031] 在本實(shí)施方式中，六個(gè)超聲波換能器兩兩為一對(duì)射組，每個(gè)柱臂的頂部安裝一對(duì) 射組，Ξ個(gè)對(duì)射組排列成等邊Ξ角形結(jié)構(gòu)，且有一對(duì)射組沿正北方向設(shè)置，而且每一對(duì)射組 中兩個(gè)超聲波換能器間夾角為60°，間距為250mm。
[0032] 在本實(shí)施方式中，換能器（16、17、18、19、20、21)的晶片為圓形，直徑為1〇111111，換能 器(16、17、18、19、20、21)為收發(fā)一體。
[0033] 在本實(shí)施方式中，柱臂(4、5、6)為不誘鋼圓柱形結(jié)構(gòu)。
[0034] 超聲波換能器陣列工作原理：
[0035] W圖1、圖2為例，某一組超聲波對(duì)射換能器在工作狀態(tài)，其余兩組均處于空閑狀 態(tài)。
[0036] 1.在第一條指令周期，換能器17發(fā)射信號(hào)，換能器18接收信號(hào)，換能器19~換能器 21及換能器16工作在空閑狀態(tài)，測得時(shí)間為ti2。
[0037] 2.在第二條指令周期，換能器18發(fā)射信號(hào)，換能器17接收信號(hào)，換能器19~換能器 21及換能器16工作在空閑狀態(tài)，測得時(shí)間為t2i。
[0038] 3.在第一條指令周期，換能器19發(fā)射信號(hào)，換能器20接收信號(hào)，換能器21，換能器 16~換能器18工作在空閑狀態(tài)，測得時(shí)間為t23。
[0039] 4.在第一條指令周期，換能器20發(fā)射信號(hào)，換能器19接收信號(hào)，換能器21，換能器 16~換能器18工作在空閑狀態(tài)，測得時(shí)間為t32。
[0040] 5.在第一條指令周期，換能器21發(fā)射信號(hào)，換能器16接收信號(hào)，換能器17~換能器 20工作在空閑狀態(tài)，測得時(shí)間為t3i。
[0041 ] 6.在第一條指令周期，換能器16發(fā)射信號(hào)，換能器21接收信號(hào)，換能器17~換能器 20工作在空閑狀態(tài)，測得時(shí)間為ti3。
[0042] 測風(fēng)原理如下，設(shè)V風(fēng)為測得風(fēng)速，Θ為測得風(fēng)向角，L為對(duì)射換能器間距。將實(shí)際空 氣流體進(jìn)入超聲波換能器能器陣列分為Ξ種情況：
[0043] 1.風(fēng)向與某一換能器對(duì)射組垂直，此時(shí)該組受端流影響最小。
[0044] 2.風(fēng)向與某一換能器對(duì)射組平行，此時(shí)該組受端流影響最大。
[0045] 3.風(fēng)向與某一換能器對(duì)射組存在一夾角，該組換能器受到空氣流體端流影響較 大。
[0046] 分析V風(fēng)在Ξ個(gè)邊上的投影，結(jié)合Ξ組對(duì)射換能器測得渡越時(shí)間，除去一組受端流 影響最大的時(shí)間值，運(yùn)里假設(shè)換能器17,18受端流影響最大，則舍棄ti2和t2i，可計(jì)算得出最 終風(fēng)速風(fēng)向值。 Γ 00471 由公古
[0050]設(shè)公式(1)等號(hào)右邊為M，公式(2)等號(hào)右邊為Q，得
[0054] 由于測風(fēng)系統(tǒng)總是暴露在空氣當(dāng)中，溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素的變化會(huì)影響測 風(fēng)儀器的性能，使得測量值出現(xiàn)一定的偏差。針對(duì)超聲波測風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)種非線性影響，本實(shí) 用新型采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣邷y風(fēng)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。借助支持向量機(jī)(SVM)強(qiáng)大的 非線性回歸能力，建立溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)同測風(fēng)的非線性關(guān)系，超聲波測風(fēng)模型為：
[0055] y = f(xi,ti,t2, . . . ,tk) (5)
[0056] 式中X為信號(hào)輸入，ti，t2, . . .，tk為k個(gè)非目標(biāo)參量，y為測風(fēng)系統(tǒng)輸出。式(5)的反 函數(shù)可W用支持向量機(jī)來逼近其非線性函數(shù)關(guān)系，W消除其他環(huán)境參數(shù)的影響，其支持向 量的補(bǔ)償模型如圖4所示。
[0057] 基于VC維和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理，結(jié)合Vapnik結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，找到一個(gè)滿 足分類要求的最優(yōu)分類超平面，將低維特征空間的非線性問題轉(zhuǎn)化為為高維特征空間線性 回歸問題，得到回歸函數(shù)：
[0化引.巧去）=貨..科知）+奮 （.臺(tái)）
[0化9]其中b為闊值，0為非線性映射，結(jié)合Vapnik結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，考慮到函數(shù)的 復(fù)雜度和擬合誤差，引入風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)R(w)，將其轉(zhuǎn)化為最小化泛函：
[0062] 式中ΙΜΙ2描述線性函數(shù)的復(fù)雜度，C>0為懲罰系數(shù)，ξι，茲是松弛變量，ε為不敏 感系數(shù)。為了解決上述二次規(guī)劃問題，引入拉格朗日函數(shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)偶問題，設(shè)曰1，ai為拉格 朗日乘子和對(duì)偶變量，相應(yīng)的拉格朗日函數(shù)為：
[0063]
餅
[0064] 利用滿足Mercer條件的核函數(shù)Κ(χ，χι)，將低維非線性回歸轉(zhuǎn)化成高維線性回歸 問題，得到了最終決策函數(shù)：
[0065]
(10)
[0066] 泛化能力是衡量補(bǔ)償模型的關(guān)鍵指標(biāo)，SVM的泛化性能主要跟懲罰系數(shù)C與核函數(shù) 參數(shù)σ有關(guān)，粒子群優(yōu)化算法(PS0)初始化為一群隨機(jī)粒子(隨機(jī)解）。每個(gè)粒子代表極值優(yōu) 化問題的潛在最優(yōu)解，通過迭代尋找最優(yōu)解，每次迭代通過跟蹤個(gè)體極值和全局極值來更 新個(gè)體位置，每個(gè)位置代表問題的一個(gè)潛在解。在每一次迭代過程中，粒子通過個(gè)體極值和 全局極值更新自身的速度和位置，將其用于SVM的參數(shù)尋優(yōu)，提高了 PS0的收斂速度及精度， 同時(shí)解決了SVM參數(shù)選擇的盲目性，建立超聲波測風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境補(bǔ)償模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其 在測風(fēng)補(bǔ)償上的有效性，并通過與其他方法對(duì)比顯示了其優(yōu)越性。
[0067] W上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行 業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述 的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還 會(huì)有各種變化和改進(jìn)，運(yùn)些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型 要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:包括超聲波換能器測風(fēng)裝置、信息 控制箱、溫濕度采集模塊、LED顯示器、SD卡、時(shí)鐘模塊和PC接收監(jiān)測終端； 所述的超聲波換能器測風(fēng)裝置由超聲波換能器陣列、主殼體、頂蓋、柱臂、超聲波換能 器安裝固定接頭和連接臂組成;所述的超聲波換能器陣列通過超聲波換能器安裝固定接頭 安裝于柱臂的頂部;所述的柱臂安裝于主殼體上，主殼體頂部設(shè)置有頂蓋，主殼體內(nèi)設(shè)置有 測風(fēng)控制電路;主殼體的底部設(shè)置有用于與外部結(jié)構(gòu)連接固定的連接臂； 所述的信息控制箱接收超聲波換能器測風(fēng)裝置、溫濕度采集模塊以及時(shí)鐘模塊發(fā)送的 風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)以及時(shí)間數(shù)據(jù)，并將接收到的信息發(fā)送到PC監(jiān)測終端并存儲(chǔ)在 SD卡中；IXD顯示器用于查看SD卡中的數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的超聲 波換能器陣列由六個(gè)超聲波換能器組成，六個(gè)超聲波換能器組成三個(gè)對(duì)射組，每個(gè)柱臂的 頂部安裝兩個(gè)超聲波換能器探頭。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:三個(gè)所述的 對(duì)射組排列成等邊三角形結(jié)構(gòu)，且有一對(duì)射組沿正北方向設(shè)置。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:每一對(duì)射組 中兩個(gè)超聲波換能器間夾角為60°，間距為250mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的超聲 波換能器的晶片為圓形，直徑為1〇_，超聲波換能器為收發(fā)一體。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的柱臂 為不銹鋼圓柱形結(jié)構(gòu)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的頂蓋 上有指北方向標(biāo)和數(shù)字指南針。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的測風(fēng) 電路設(shè)置數(shù)據(jù)通訊接口，信息控制箱通過數(shù)據(jù)通訊接口與測風(fēng)電路通訊。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的測風(fēng) 電路設(shè)置擴(kuò)展口，擴(kuò)展口用于測風(fēng)電路升級(jí)調(diào)試、二次開發(fā)。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超聲波換能器的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于:所述的信 息控制箱通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC監(jiān)測終端。
【文檔編號(hào)】G08C17/02GK205483056SQ201620102289
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年2月1日
【發(fā)明人】行鴻彥, 魏佳佳
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)