一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法
一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风速风向测量技术领域，具体涉及一种二维反射式超声波风速风向仪 及测量方法。
【背景技术】
[0002] 风速风向仪在气象、民航、公路、农业和新能源领域都发挥着重要的作用。目前较 多使用的是机械式风速风向仪，它主要是通过风力带动叶轮转动获得基本测量信息，将叶 轮转动的角速度或叶轮的转数转化为电信号，并以此测算出风速。但这种风速风向仪对测 量环境要求比较高，而且由于未解决仪器密封问题，因此在北方沙尘暴天气中无法正常工 作，在低温环境下还会因结冰而将运动部件卡死；同时，机械式风速风向仪由于存在较多运 动部件，导致运动部件磨损快而缩短了使用寿命；此外，由于受机械结构及测量原理的限 制，机械式风速风向仪的灵敏度较低。现有的基于时差法的超声波风速风向仪大多采用分 时原则，即一对超声波传感器轮流发送、接收信号，需要的测量次数多，并且电路结构复杂， 往往由于多次测量导致测量结果有较大误差。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种二维反射式超声波风速 风向仪装置及测量方法，具有测量过程简便、结果准确的优点。
[0004] 本发明的技术方案如下：一种二维反射式超声波风速风向仪，包括：控制单元、数 据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元、气压补偿单元、机壳及立 柱；
[0005] 风速风向测量单元，包括超声波发射器、超声波接收器和计时器模块，控制单元输 出具有一定占空比的方波信号至风速风向测量单元，控制超声波发射器发射超声波信号； 风速风向测量单元将超声波回波信号经过滤波、放大、比较处理后得到方波信号，并将其送 至控制单元，超声波发射器模块与超声波接收器模块相连，超声波接收器模块与计时器模 块相连；
[0006] 超声波发射器，用于发射超声波信号以进行风速风向的测量，它由方波信号发生 电路、超声波驱动电路和超声波传感器组成；方波信号发生电路产生用于驱动超声波传感 器工作所需的间隔方波信号；超声波驱动电路用于驱动超声波传感器发射超声波信号；超 声波发射传感器为一体化超声波发射传感器，即一体化探头，发射超声波并接收一路超声 波回波信号；超声波接收器，用于接收超声波回波信号以进行后续处理，它包括四个超声波 接收传感器、四路钳位保护电路和四路超声波回波信号处理电路；四个超声波接收传感器 为非一体化探头，接收反射超声波回波信号；四路钳位保护电路实现对超声波驱动电路和 超声波回波信号处理电路的隔离；四路超声波回波信号处理电路用于对超声波回波信号进 行处理，使处理后的超声波回波信号成为控制单元能够处理的信号；计时器模块，利用控制 单元的计时功能实现，当超声波发射器工作时开始计时，超声波接收器工作时通过中断停 止计时；
[0007] 方向校准单元，用于确定基准方向，此基准方向将作为设备安装时的参考方向，同 时也对风向数据进行校正，使其与实际地理方向一致，方向校准单元由数字罗盘和磁敏二 极管组成，控制单元运用I 2c总线控制方向校准单元对当地磁场强度进行测量，方向校准 单元将测量得到的磁场强度数据传送至控制单元；数字罗盘和磁敏二极管均与控制单元相 连；
[0008] 温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成，它用于对设备进行温度补偿以保 证风速风向仪在寒冷环境下也能正常工作；温度补偿单元将检测的实时温度数据传送至控 制单元，控制单元在温度低于设定的阈值时控制加热模块对设备进行温度补偿。温度检测 模块和加热模块分别与控制单元相连；
[0009] 气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成，气压传感器实时测量的气压数 据，由数据采集模块对测量的风速数据进行修正与优化；控制单元运用I 2c总线控制气压补 偿单元对实时气压进行测量，气压补偿单元将测量得到的气压数据传送至控制单元；
[0010] 控制单元，与数据处理单元相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的 风速风向数据；与风速风向测量单元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和 关闭计时器模块，得到超声波传播时间；控制单元与方向校准单元相连，确定基准方向，地 理北极即地磁南极方向，用于对风向数据进行校准，使风向数据与实际风向一致；控制单元 与温度补偿模块相连，通过接收温度传感器的数据来判断是否开启加热电路，使设备在温 度较低的情况下仍能正常工作；控制单元与气压补偿单元相连，通过接收气压传感器的数 据来对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风速数据；
[0011] 数据处理单元，接收控制单元的方波驱动信号、超声波回波信号、温度测量数据、 磁场方向数据和气压测量数据；对于控制单元发送的方波驱动信号，数据处理单元将其分 频后送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动超声波传感器发送超声波；对于超声波回 波信号，数据处理单元将其滤波、放大、比较处理后送入控制单元。对于温度、磁场、气压测 量数据，数据处理单元将从相应传感器接收的数据进行滤波、放大处理后送入控制单元；
[0012] 机壳包括上机壳和下机壳，上机壳与下机壳通过支架相连；下机壳下方设有安装 立柱，用于支撑固定作用；控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温 度补偿单元和气压补偿单元均放置在下机壳中，四个超声波接收传感器，位于下机壳同一 圆周上且相互间隔90度，即四个超声波接收传感器内嵌在下机壳中并位于同一圆周的四 点上，相互间隔90度角，一体化超声波发射传感器也内嵌在下机壳中，且位于圆心位置；上 机壳中心，即正对一体化超声波发射传感器的位置为凸面，用于反射超声波脉冲信号。
[0013] 所述控制单元包括ARMHDMI控制器、RS485接口模块、存储模块和电源模块； RS485接口模块、存储模块和电源模块均与ARMHDMI控制器相连接；ARMHDMI控制器用于 对设备各模块发送指令，RS485接口模块用于数据的发送与接收，存储模块用于对有效数据 的存储，电源模块用于对设备各模块进行供电。
[0014] -种利用上述风速风向仪进行风速风向测量的方法，包括以下步骤：
[0015] (1)温度检测模块将通过温度传感器测量得到的实时环境温度数据传给控制单 元，控制单元根据计算并与设定的阈值进行比较来确定是否开启加热模块，若环境温度低 于设定的阈值，则开启加热电路，对设备，即超声波传感器区域进行加热，以保证设备在较 低温度下仍能正常工作；
[0016] (2)控制单元发送方波信号并开始计时，此方波信号经分频后送入三极管和变压 器组成的驱动电路，驱动一体化超声波发射传感器发送超声波；
[0017] (3)当回波信号分别被超声波接收器接收，接收到的信号分别经各自的后续信号 处理电路进行滤波、放大、比较处理，产生各自对应的计时器中断停止信号，分别获得超声 波信号从发送到被各路超声波接收器接收到所经过的时间，记T1为一体化超声波传感器 的发射、接收时间，T2-T5分别为四个（东西南北四个方向的）超声波传感器的接收时间；
[0018] (4)控制单元通过气压补偿单元和方向校准单元获得气压数据和磁场方向数据来 进行风速风向校正；
[0019] (5)风速值在X、Y两个垂直方向上的风速分量值为：
[0023] 根据矢量合成的原理，可以得出实际风速V和风向a的值：
[0026] 其中，D为下机壳圆心与上机壳凸面的垂直距离，R为下机壳四个接收传感器所在 圆周的半径，0为接收传感器的超声波路径与下机壳平面的夹角。
[0027] 本发明具有如下有益效果：
[0028] (1)本发明超声波风速风向仪采用一个一体化超声波传感器和四个超声波接收传 感器，且五个超声波传感器均内嵌在下机壳内，使电路结构更加简单。测量过程中只通过一 次发射超声波，就可以测量出风速和风向。独特的装置结构使得对于一体化超声波发射传 感器的选择上具有很大优势，波束角大或小均可以满足装置测量要求。
[0029] (2)本发明超声波风速风向仪电路采用模块化设计，且模拟电路和数字电路分为 两块电路板进行设计，降低了设计难度，且易于维护。
[0030] (3)本发明环境适应性强。上机壳可以遮挡雨雪和沙尘，降低异物对风速测量的影 响，同时上机壳还可以阻止垂直方向上的风的干扰，提高了整个系统的测量精度。
[0031] (4)本发明中的气压传感器测量获得的气压数据，可用来对风速风向数据进行校 正，以得到不同气压环境下的准确的风速风向数据。
[0032] (5)本发明提供的超声波风速风向仪结构紧凑，测量原理简单，提升了测量精度， 延长了仪器的使用寿命，并且适用于各种恶劣的测量环境。
【附图说明】
[0033] 图1为超声波风速风向仪的系统结构框图；
[0034] 图2为超声波风速风向仪的装置结构示意图；
[0035] 图3为超声波风速风向仪的测量原理示意图；
[0036] 图4为超声波风速风向测量单元回波信号处理框图；
[0037] 图5为超声波风速风向仪的温度补偿单元框图；
[0038] 图6为超声波风速风向仪的基准方向电路原理图；
[0039] 图7为超声波风速风向仪的驱动电路原理图；
[0040] 图8为超声波风速风向仪的软件流程图。
[0041] 图中：1_上机壳；21-支架；22-支架；23-支架；24-支架；3--体化超声波发射传 感器；41-超声波接收传感器A ;42_超声波接收传感器B ;43_超声波接收传感器C ;44_超 声波接收传感器D ;5_下机壳；6-安装立柱。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步说明。
[0043] 如图1所示，本发明的超声波风速风向仪的核心是控制单元，它与数据处理单元 相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的风速风向数据。它与风速风向测量单 元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和关闭计时器模块，得到超声波传播 时间。它与方向校准单元相连，确定基准方向，即地理北极（地磁南极）方向，用于对风向 数据进行校准，使之与实际风向一致。它与温度补偿模块相连，通过接收温度传感器的数据 来判断是否开启加热电路，使设备在温度较低的情况下仍能正常工作。它与气压补偿单元 相连，通过接收气压传感器的数据来对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风 速数据。控制单元还与RS485接口模块、存储模块相连接，通过RS485接口模块来实现对测 量数据的传输，通过存储模块实现对有效测量数据的存储。
[0044] 如图1所示，此超声波风速风向仪的控制单元为NXP公司的ARM7TDMI芯片 LPC2210,其性能稳定、性价比高，处理能力强，可实现对5路超声波处理电路的信号同时处 理。
[0045] 如图2所示，此超声波风速风向仪的机壳包括上机壳1和下机壳5,下机壳5连接 在安装立柱6上，安装立柱用于支撑固定作用。上机壳1和下机壳5相对设置，并通过四根 支架21-24连接在一起。
[0046]如图2所示，四个超声波接收传感器41，42,43,44分别与控制单元相连；控制单元 和四个超声波接收传感器及一个一体化超声波传感器均内嵌在下机壳中，四个超声波接收 传感器位于同一圆周上，且相互间隔90度角。位于圆心的一体化超声波传感器的正上方是 上机壳的凸面位置，用于反射超声波脉冲信号。对于位于中心位置的一体化超声波传感器， 其发射驱动电路和回波信号处理电路通过超声波传感器连在一起；对于另外四个超声波接 收传感器，它们只需要设计超声波回波信号处理电路，从而简化了电路设计。
[0047] 如图3所示，此为超声波风速风向仪的测量原理示意图。此装置采用时差法原理 测量风速风向数据，四个超声波接收传感器的分布如图所示，分别位于东西南北四个方向。 D为下机壳圆心与上机壳凸面的垂直距离，R为下机壳四个接收传感器所在圆周的半径，0 为超声波接收传感器的超声波路径与下机壳平面的夹角。T1为一体化超声波传感器的发 射、接收时间，T2-T5分别为四个（东西南北四个方向的）超声波接收传感器的接收时间。 [0048] 风速值在X、Y两个垂直方向上的风速分量值为：
[0052] 根据矢量合成的原理，可以得出实际风速V和风向a的值：
[0055] 如图4所示，此为超声波风速风向测量单元回波信号处理框图。图中，超声波接收 传感器接收反射的超声波回波信号，钳位保护电路只用在一体化超声波传感器上，用以防 止驱动电路侧的高压进入信号处理回路并对其产生破坏，进而达到保护后续电路的目的。 而对于另外四路超声波接收电路而言，钳位保护电路可有可无，因为这四路不受驱动电路 高压的影响。超声波回波信号经由钳位保护电路后通过电感、电容和电阻组成的带通滤波 器进行滤波处理。滤波后经由对数放大器和运算放大器进行放大处理产生后续电路所需电 压信号，并送至比较器构成的阈值比较电路产生计时中断信号，再经由隔离电路送入控制 单元进行处理。
[0056] 如图5所示，此为超声波风速风向仪的温度补偿单元。超声波风速风向仪测量过 程中控制单元需要获得当前的环境温度数据来实时对风速风向测量单元进行温度补偿保 证测量精度。其中，温度传感器将测量的环境温度数据送入控制单元，与其中设置的加热 温度阈值进行判断。若高于阈值，则不启动加热电路；若低于设置的加热温度阈值，则控制 单元发送脉冲信号，经过起保护作用的光电耦合器隔离之后送入智能功率高边开关的输入 端，其输出端连接五个加热电阻，它们分别位于五个超声波传感器的下方位置。通过温度补 偿，使得超声波传感器在低温环境下也能正常工作，增强了此风速风向仪的环境生存能力。
[0057] 如图6所示，此为超声波风速风向仪的基准方向电路原理图。它采用3轴数字罗 盘和磁敏二极管构成基准方向电路，数字罗盘采用I 2C协议进行数据传输，具有很高的数据 传输率，且传输线路简单，只有一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL。数字罗盘控制 端口和数据端口引脚直接与控制单元相连接，ARM7TDMI控制器通过外部中断引脚产生中断 控制信号来读取当前安装方位角数据，即DRDY引脚中断数据，并通过I 2C接口将数据送入 控制单元进行处理。
[0058] 如图6所示，磁敏二极管是采用电子与空穴双重注入效应及复合效应原理工作 的，具有很高的灵敏度。由于磁敏二极管在正、负磁场作用下，其输出信号增量的方向不同， 因此利用这一点可以判别磁场方向。此设备中，磁敏二极管方向即为设备基准方向N(上机 壳箭头标注方向），安装时需用精密仪器测出地球北极方向，并将其与它对齐。
[0059] 如图7所示，此为超声波风速风向仪的驱动电路原理图。由控制单元产生方波信 号接入S3B端，控制开关三极管T203的通断，从而使变压器的副边产生350V左右的直流脉 冲电压，来驱动超声波发射传感器产生一段超声波脉冲信号。D208为钳位二极管，是将两个 高速二极管反相并联而得到的。
[0060] 如图8所示，此为超声波风速风向仪的软件流程图。首先，控制单元发送方波信号 并开始计时，方波信号经过分频处理后送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动一体化 超声波发射传感器发射超声波。四个超声波接收传感器分别接收到回波信号后，经过滤波、 放大、比较处理后送入控制单元，通过与设定的阈值进行比较来判断是否为有效回波信号， 若否，则继续发射超声波并检测 ；若接收到有效回波信号，则触发中断，停止计时，得到五路 超声波传播时间T1，T2，T3，T4，T5。根据传播时间及设备机械结构中的相关数据，利用时差 法原理可以计算得出风速风向数据，并通过气压测量单元得到的实时气压数据对计算结果 进行修正，以得到更加符合实际情况的风速风向值。最后通过RS485接口模块输出有效风 速风向数据，并保存。
[0061] 提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本 发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修 改，均应涵盖在本发明的范围之内。
【主权项】
1. 一种二维反射式超声波风速风向仪，其特征在于包括：控制单元、数据处理单元、风 速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元、气压补偿单元、机壳及立柱； 风速风向测量单元，包括超声波发射器、超声波接收器和计时器模块，控制单元输出具 有一定占空比的方波信号至风速风向测量单元，控制超声波发射器发射超声波信号；风速 风向测量单元将超声波回波信号经过滤波、放大、比较处理后得到方波信号，并将其送至控 制单元，超声波发射器模块与超声波接收器模块相连，超声波接收器模块与计时器模块相 连； 超声波发射器，用于发射超声波信号以进行风速风向的测量，它由方波信号发生电路、 超声波驱动电路和超声波传感器组成；方波信号发生电路产生用于驱动超声波传感器工作 所需的间隔方波信号；超声波驱动电路用于驱动超声波传感器发射超声波信号；超声波发 射传感器为一体化超声波发射传感器，即一体化探头，发射超声波并接收一路超声波回波 信号；超声波接收器，用于接收超声波回波信号以进行后续处理，它包括四个超声波接收传 感器、四路钳位保护电路和四路超声波回波信号处理电路；四个超声波接收传感器为非一 体化探头，接收反射超声波回波信号；四路钳位保护电路实现对超声波驱动电路和超声波 回波信号处理电路的隔离；四路超声波回波信号处理电路用于对超声波回波信号进行处 理，使处理后的超声波回波信号成为控制单元能够处理的信号；计时器模块，利用控制单元 的计时功能实现，当超声波发射器工作时开始计时，超声波接收器工作时通过中断停止计 时； 方向校准单元，用于确定基准方向，此基准方向将作为设备安装时的参考方向，同时也 对风向数据进行校正，使其与实际地理方向一致，方向校准单元由数字罗盘和磁敏二极管 组成，控制单元运用I2C总线控制方向校准单元对当地磁场强度进行测量，方向校准单元将 测量得到的磁场强度数据传送至控制单元；数字罗盘和磁敏二极管均与控制单元相连； 温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成，它用于对设备进行温度补偿以保证风 速风向仪在寒冷环境下也能正常工作；温度补偿单元将检测的实时温度数据传送至控制单 元，控制单元在温度低于设定的阈值时控制加热模块对设备进行温度补偿。温度检测模块 和加热模块分别与控制单元相连； 气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成，气压传感器实时测量的气压数据， 由数据采集模块对测量的风速数据进行修正与优化；控制单元运用I2C总线控制气压补偿 单元对实时气压进行测量，气压补偿单元将测量得到的气压数据传送至控制单元； 控制单元，与数据处理单元相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的风速 风向数据；与风速风向测量单元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和关闭 计时器模块，得到超声波传播时间；控制单元与方向校准单元相连，确定基准方向，地理北 极即地磁南极方向，用于对风向数据进行校准，使风向数据与实际风向一致；控制单元与温 度补偿模块相连，通过接收温度传感器的数据来判断是否开启加热电路，使设备在温度较 低的情况下仍能正常工作；控制单元与气压补偿单元相连，通过接收气压传感器的数据来 对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风速数据； 数据处理单元，接收控制单元的方波驱动信号、超声波回波信号、温度测量数据、磁场 方向数据和气压测量数据；对于控制单元发送的方波驱动信号，数据处理单元将其分频后 送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动超声波传感器发送超声波；对于超声波回波信 号，数据处理单元将其滤波、放大、比较处理后送入控制单元；对于温度、磁场、气压测量数 据，数据处理单元将从相应传感器接收的数据进行滤波、放大处理后送入控制单元； 机壳包括上机壳和下机壳，上机壳与下机壳通过支架相连；下机壳下方设有安装立柱， 用于支撑固定作用；控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿 单元和气压补偿单元均放置在下机壳中，四个超声波接收传感器，位于下机壳同一圆周上 且相互间隔90度，即四个超声波接收传感器内嵌在下机壳中并位于同一圆周的四点上，相 互间隔90度角，一体化超声波发射传感器也内嵌在下机壳中，且位于圆心位置；上机壳中 心，即正对一体化超声波发射传感器的位置为凸面，用于反射超声波脉冲信号。2. 根据权利要求1所述的二维反射式超声波风速风向仪，其特征在于：所述控制单元 包括ARM7TDMI控制器、RS485接口模块、存储模块和电源模块；RS485接口模块、存储模块 和电源模块均与ARM7TDMI控制器相连接；ARM7TDMI控制器用于对设备各模块发送指令， RS485接口模块用于数据的发送与接收，存储模块用于对有效数据的存储，电源模块用于对 设备各模块进行供电。3. -种利用上述风速风向仪进行风速风向测量的方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 温度检测模块将通过温度传感器测量得到的实时环境温度数据传给控制单元，控 制单元根据计算并与设定的阈值进行比较来确定是否开启加热模块，若环境温度低于设定 的阈值，则开启加热电路，对设备，即超声波传感器区域进行加热，以保证设备在较低温度 下仍能正常工作； (2) 控制单元发送方波信号并开始计时，此方波信号经分频后送入三极管和变压器组 成的驱动电路，驱动一体化超声波发射传感器发送超声波； (3) 当回波信号分别被超声波接收器接收，接收到的信号分别经各自的后续信号处理 电路进行滤波、放大、比较处理，产生各自对应的计时器中断停止信号，分别获得超声波信 号从发送到被各路超声波接收器接收到所经过的时间，记Tl为一体化超声波发射传感器 的发射、接收时间，T2-T5分别为四个（东西南北四个方向的）超声波传感器的接收时间； (4) 控制单元通过气压补偿单元和方向校准单元获得气压数据和磁场方向数据来进行 风速风向校正； (5) 风速值在X、Y两个垂直方向上的风速分量值为：根据矢量合成的原理，可以得出实际风速V和风向α的值：其中，D为下机壳圆心与上机壳凸面的垂直距离，R为下机壳四个接收传感器所在圆周 的半径，Θ为接收传感器的超声波路径与下机壳平面的夹角。
【专利摘要】本发明公开了一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法，风速风向仪包括控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元和气压补偿单元；风速风向测量单元由超声波发射器、超声波接收器和计时器模块组成；方向校准单元由数字罗盘和磁敏二极管组成；温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成；气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成。本发明采用一个一体化超声波传感器发射并接收其中一路回波信号，四个接收传感器接收反射回波信号，五个传感器被安排在同一水平面上，只利用一次发射、接收的时间差即可计算出风速风向，且测量原理简单，提升了测量精度，延长了仪器的使用寿命，并且适用于各种恶劣的测量环境。
【IPC分类】G01P13/02, G01P5/24
【公开号】CN104897924
【申请号】CN201510218835
【发明人】康宇, 崔凌云, 陈守胜, 胡峰, 李泽瑞
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月30日
【技术领域】
[0001] 本发明属于风速风向测量技术领域，具体涉及一种二维反射式超声波风速风向仪 及测量方法。
【背景技术】
[0002] 风速风向仪在气象、民航、公路、农业和新能源领域都发挥着重要的作用。目前较 多使用的是机械式风速风向仪，它主要是通过风力带动叶轮转动获得基本测量信息，将叶 轮转动的角速度或叶轮的转数转化为电信号，并以此测算出风速。但这种风速风向仪对测 量环境要求比较高，而且由于未解决仪器密封问题，因此在北方沙尘暴天气中无法正常工 作，在低温环境下还会因结冰而将运动部件卡死；同时，机械式风速风向仪由于存在较多运 动部件，导致运动部件磨损快而缩短了使用寿命；此外，由于受机械结构及测量原理的限 制，机械式风速风向仪的灵敏度较低。现有的基于时差法的超声波风速风向仪大多采用分 时原则，即一对超声波传感器轮流发送、接收信号，需要的测量次数多，并且电路结构复杂， 往往由于多次测量导致测量结果有较大误差。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种二维反射式超声波风速 风向仪装置及测量方法，具有测量过程简便、结果准确的优点。
[0004] 本发明的技术方案如下：一种二维反射式超声波风速风向仪，包括：控制单元、数 据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元、气压补偿单元、机壳及立 柱；
[0005] 风速风向测量单元，包括超声波发射器、超声波接收器和计时器模块，控制单元输 出具有一定占空比的方波信号至风速风向测量单元，控制超声波发射器发射超声波信号； 风速风向测量单元将超声波回波信号经过滤波、放大、比较处理后得到方波信号，并将其送 至控制单元，超声波发射器模块与超声波接收器模块相连，超声波接收器模块与计时器模 块相连；
[0006] 超声波发射器，用于发射超声波信号以进行风速风向的测量，它由方波信号发生 电路、超声波驱动电路和超声波传感器组成；方波信号发生电路产生用于驱动超声波传感 器工作所需的间隔方波信号；超声波驱动电路用于驱动超声波传感器发射超声波信号；超 声波发射传感器为一体化超声波发射传感器，即一体化探头，发射超声波并接收一路超声 波回波信号；超声波接收器，用于接收超声波回波信号以进行后续处理，它包括四个超声波 接收传感器、四路钳位保护电路和四路超声波回波信号处理电路；四个超声波接收传感器 为非一体化探头，接收反射超声波回波信号；四路钳位保护电路实现对超声波驱动电路和 超声波回波信号处理电路的隔离；四路超声波回波信号处理电路用于对超声波回波信号进 行处理，使处理后的超声波回波信号成为控制单元能够处理的信号；计时器模块，利用控制 单元的计时功能实现，当超声波发射器工作时开始计时，超声波接收器工作时通过中断停 止计时；
[0007] 方向校准单元，用于确定基准方向，此基准方向将作为设备安装时的参考方向，同 时也对风向数据进行校正，使其与实际地理方向一致，方向校准单元由数字罗盘和磁敏二 极管组成，控制单元运用I 2c总线控制方向校准单元对当地磁场强度进行测量，方向校准 单元将测量得到的磁场强度数据传送至控制单元；数字罗盘和磁敏二极管均与控制单元相 连；
[0008] 温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成，它用于对设备进行温度补偿以保 证风速风向仪在寒冷环境下也能正常工作；温度补偿单元将检测的实时温度数据传送至控 制单元，控制单元在温度低于设定的阈值时控制加热模块对设备进行温度补偿。温度检测 模块和加热模块分别与控制单元相连；
[0009] 气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成，气压传感器实时测量的气压数 据，由数据采集模块对测量的风速数据进行修正与优化；控制单元运用I 2c总线控制气压补 偿单元对实时气压进行测量，气压补偿单元将测量得到的气压数据传送至控制单元；
[0010] 控制单元，与数据处理单元相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的 风速风向数据；与风速风向测量单元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和 关闭计时器模块，得到超声波传播时间；控制单元与方向校准单元相连，确定基准方向，地 理北极即地磁南极方向，用于对风向数据进行校准，使风向数据与实际风向一致；控制单元 与温度补偿模块相连，通过接收温度传感器的数据来判断是否开启加热电路，使设备在温 度较低的情况下仍能正常工作；控制单元与气压补偿单元相连，通过接收气压传感器的数 据来对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风速数据；
[0011] 数据处理单元，接收控制单元的方波驱动信号、超声波回波信号、温度测量数据、 磁场方向数据和气压测量数据；对于控制单元发送的方波驱动信号，数据处理单元将其分 频后送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动超声波传感器发送超声波；对于超声波回 波信号，数据处理单元将其滤波、放大、比较处理后送入控制单元。对于温度、磁场、气压测 量数据，数据处理单元将从相应传感器接收的数据进行滤波、放大处理后送入控制单元；
[0012] 机壳包括上机壳和下机壳，上机壳与下机壳通过支架相连；下机壳下方设有安装 立柱，用于支撑固定作用；控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温 度补偿单元和气压补偿单元均放置在下机壳中，四个超声波接收传感器，位于下机壳同一 圆周上且相互间隔90度，即四个超声波接收传感器内嵌在下机壳中并位于同一圆周的四 点上，相互间隔90度角，一体化超声波发射传感器也内嵌在下机壳中，且位于圆心位置；上 机壳中心，即正对一体化超声波发射传感器的位置为凸面，用于反射超声波脉冲信号。
[0013] 所述控制单元包括ARMHDMI控制器、RS485接口模块、存储模块和电源模块； RS485接口模块、存储模块和电源模块均与ARMHDMI控制器相连接；ARMHDMI控制器用于 对设备各模块发送指令，RS485接口模块用于数据的发送与接收，存储模块用于对有效数据 的存储，电源模块用于对设备各模块进行供电。
[0014] -种利用上述风速风向仪进行风速风向测量的方法，包括以下步骤：
[0015] (1)温度检测模块将通过温度传感器测量得到的实时环境温度数据传给控制单 元，控制单元根据计算并与设定的阈值进行比较来确定是否开启加热模块，若环境温度低 于设定的阈值，则开启加热电路，对设备，即超声波传感器区域进行加热，以保证设备在较 低温度下仍能正常工作；
[0016] (2)控制单元发送方波信号并开始计时，此方波信号经分频后送入三极管和变压 器组成的驱动电路，驱动一体化超声波发射传感器发送超声波；
[0017] (3)当回波信号分别被超声波接收器接收，接收到的信号分别经各自的后续信号 处理电路进行滤波、放大、比较处理，产生各自对应的计时器中断停止信号，分别获得超声 波信号从发送到被各路超声波接收器接收到所经过的时间，记T1为一体化超声波传感器 的发射、接收时间，T2-T5分别为四个（东西南北四个方向的）超声波传感器的接收时间；
[0018] (4)控制单元通过气压补偿单元和方向校准单元获得气压数据和磁场方向数据来 进行风速风向校正；
[0019] (5)风速值在X、Y两个垂直方向上的风速分量值为：
[0023] 根据矢量合成的原理，可以得出实际风速V和风向a的值：
[0026] 其中，D为下机壳圆心与上机壳凸面的垂直距离，R为下机壳四个接收传感器所在 圆周的半径，0为接收传感器的超声波路径与下机壳平面的夹角。
[0027] 本发明具有如下有益效果：
[0028] (1)本发明超声波风速风向仪采用一个一体化超声波传感器和四个超声波接收传 感器，且五个超声波传感器均内嵌在下机壳内，使电路结构更加简单。测量过程中只通过一 次发射超声波，就可以测量出风速和风向。独特的装置结构使得对于一体化超声波发射传 感器的选择上具有很大优势，波束角大或小均可以满足装置测量要求。
[0029] (2)本发明超声波风速风向仪电路采用模块化设计，且模拟电路和数字电路分为 两块电路板进行设计，降低了设计难度，且易于维护。
[0030] (3)本发明环境适应性强。上机壳可以遮挡雨雪和沙尘，降低异物对风速测量的影 响，同时上机壳还可以阻止垂直方向上的风的干扰，提高了整个系统的测量精度。
[0031] (4)本发明中的气压传感器测量获得的气压数据，可用来对风速风向数据进行校 正，以得到不同气压环境下的准确的风速风向数据。
[0032] (5)本发明提供的超声波风速风向仪结构紧凑，测量原理简单，提升了测量精度， 延长了仪器的使用寿命，并且适用于各种恶劣的测量环境。
【附图说明】
[0033] 图1为超声波风速风向仪的系统结构框图；
[0034] 图2为超声波风速风向仪的装置结构示意图；
[0035] 图3为超声波风速风向仪的测量原理示意图；
[0036] 图4为超声波风速风向测量单元回波信号处理框图；
[0037] 图5为超声波风速风向仪的温度补偿单元框图；
[0038] 图6为超声波风速风向仪的基准方向电路原理图；
[0039] 图7为超声波风速风向仪的驱动电路原理图；
[0040] 图8为超声波风速风向仪的软件流程图。
[0041] 图中：1_上机壳；21-支架；22-支架；23-支架；24-支架；3--体化超声波发射传 感器；41-超声波接收传感器A ;42_超声波接收传感器B ;43_超声波接收传感器C ;44_超 声波接收传感器D ;5_下机壳；6-安装立柱。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步说明。
[0043] 如图1所示，本发明的超声波风速风向仪的核心是控制单元，它与数据处理单元 相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的风速风向数据。它与风速风向测量单 元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和关闭计时器模块，得到超声波传播 时间。它与方向校准单元相连，确定基准方向，即地理北极（地磁南极）方向，用于对风向 数据进行校准，使之与实际风向一致。它与温度补偿模块相连，通过接收温度传感器的数据 来判断是否开启加热电路，使设备在温度较低的情况下仍能正常工作。它与气压补偿单元 相连，通过接收气压传感器的数据来对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风 速数据。控制单元还与RS485接口模块、存储模块相连接，通过RS485接口模块来实现对测 量数据的传输，通过存储模块实现对有效测量数据的存储。
[0044] 如图1所示，此超声波风速风向仪的控制单元为NXP公司的ARM7TDMI芯片 LPC2210,其性能稳定、性价比高，处理能力强，可实现对5路超声波处理电路的信号同时处 理。
[0045] 如图2所示，此超声波风速风向仪的机壳包括上机壳1和下机壳5,下机壳5连接 在安装立柱6上，安装立柱用于支撑固定作用。上机壳1和下机壳5相对设置，并通过四根 支架21-24连接在一起。
[0046]如图2所示，四个超声波接收传感器41，42,43,44分别与控制单元相连；控制单元 和四个超声波接收传感器及一个一体化超声波传感器均内嵌在下机壳中，四个超声波接收 传感器位于同一圆周上，且相互间隔90度角。位于圆心的一体化超声波传感器的正上方是 上机壳的凸面位置，用于反射超声波脉冲信号。对于位于中心位置的一体化超声波传感器， 其发射驱动电路和回波信号处理电路通过超声波传感器连在一起；对于另外四个超声波接 收传感器，它们只需要设计超声波回波信号处理电路，从而简化了电路设计。
[0047] 如图3所示，此为超声波风速风向仪的测量原理示意图。此装置采用时差法原理 测量风速风向数据，四个超声波接收传感器的分布如图所示，分别位于东西南北四个方向。 D为下机壳圆心与上机壳凸面的垂直距离，R为下机壳四个接收传感器所在圆周的半径，0 为超声波接收传感器的超声波路径与下机壳平面的夹角。T1为一体化超声波传感器的发 射、接收时间，T2-T5分别为四个（东西南北四个方向的）超声波接收传感器的接收时间。 [0048] 风速值在X、Y两个垂直方向上的风速分量值为：
[0052] 根据矢量合成的原理，可以得出实际风速V和风向a的值：
[0055] 如图4所示，此为超声波风速风向测量单元回波信号处理框图。图中，超声波接收 传感器接收反射的超声波回波信号，钳位保护电路只用在一体化超声波传感器上，用以防 止驱动电路侧的高压进入信号处理回路并对其产生破坏，进而达到保护后续电路的目的。 而对于另外四路超声波接收电路而言，钳位保护电路可有可无，因为这四路不受驱动电路 高压的影响。超声波回波信号经由钳位保护电路后通过电感、电容和电阻组成的带通滤波 器进行滤波处理。滤波后经由对数放大器和运算放大器进行放大处理产生后续电路所需电 压信号，并送至比较器构成的阈值比较电路产生计时中断信号，再经由隔离电路送入控制 单元进行处理。
[0056] 如图5所示，此为超声波风速风向仪的温度补偿单元。超声波风速风向仪测量过 程中控制单元需要获得当前的环境温度数据来实时对风速风向测量单元进行温度补偿保 证测量精度。其中，温度传感器将测量的环境温度数据送入控制单元，与其中设置的加热 温度阈值进行判断。若高于阈值，则不启动加热电路；若低于设置的加热温度阈值，则控制 单元发送脉冲信号，经过起保护作用的光电耦合器隔离之后送入智能功率高边开关的输入 端，其输出端连接五个加热电阻，它们分别位于五个超声波传感器的下方位置。通过温度补 偿，使得超声波传感器在低温环境下也能正常工作，增强了此风速风向仪的环境生存能力。
[0057] 如图6所示，此为超声波风速风向仪的基准方向电路原理图。它采用3轴数字罗 盘和磁敏二极管构成基准方向电路，数字罗盘采用I 2C协议进行数据传输，具有很高的数据 传输率，且传输线路简单，只有一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL。数字罗盘控制 端口和数据端口引脚直接与控制单元相连接，ARM7TDMI控制器通过外部中断引脚产生中断 控制信号来读取当前安装方位角数据，即DRDY引脚中断数据，并通过I 2C接口将数据送入 控制单元进行处理。
[0058] 如图6所示，磁敏二极管是采用电子与空穴双重注入效应及复合效应原理工作 的，具有很高的灵敏度。由于磁敏二极管在正、负磁场作用下，其输出信号增量的方向不同， 因此利用这一点可以判别磁场方向。此设备中，磁敏二极管方向即为设备基准方向N(上机 壳箭头标注方向），安装时需用精密仪器测出地球北极方向，并将其与它对齐。
[0059] 如图7所示，此为超声波风速风向仪的驱动电路原理图。由控制单元产生方波信 号接入S3B端，控制开关三极管T203的通断，从而使变压器的副边产生350V左右的直流脉 冲电压，来驱动超声波发射传感器产生一段超声波脉冲信号。D208为钳位二极管，是将两个 高速二极管反相并联而得到的。
[0060] 如图8所示，此为超声波风速风向仪的软件流程图。首先，控制单元发送方波信号 并开始计时，方波信号经过分频处理后送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动一体化 超声波发射传感器发射超声波。四个超声波接收传感器分别接收到回波信号后，经过滤波、 放大、比较处理后送入控制单元，通过与设定的阈值进行比较来判断是否为有效回波信号， 若否，则继续发射超声波并检测 ；若接收到有效回波信号，则触发中断，停止计时，得到五路 超声波传播时间T1，T2，T3，T4，T5。根据传播时间及设备机械结构中的相关数据，利用时差 法原理可以计算得出风速风向数据，并通过气压测量单元得到的实时气压数据对计算结果 进行修正，以得到更加符合实际情况的风速风向值。最后通过RS485接口模块输出有效风 速风向数据，并保存。
[0061] 提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本 发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修 改，均应涵盖在本发明的范围之内。
【主权项】
1. 一种二维反射式超声波风速风向仪，其特征在于包括：控制单元、数据处理单元、风 速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元、气压补偿单元、机壳及立柱； 风速风向测量单元，包括超声波发射器、超声波接收器和计时器模块，控制单元输出具 有一定占空比的方波信号至风速风向测量单元，控制超声波发射器发射超声波信号；风速 风向测量单元将超声波回波信号经过滤波、放大、比较处理后得到方波信号，并将其送至控 制单元，超声波发射器模块与超声波接收器模块相连，超声波接收器模块与计时器模块相 连； 超声波发射器，用于发射超声波信号以进行风速风向的测量，它由方波信号发生电路、 超声波驱动电路和超声波传感器组成；方波信号发生电路产生用于驱动超声波传感器工作 所需的间隔方波信号；超声波驱动电路用于驱动超声波传感器发射超声波信号；超声波发 射传感器为一体化超声波发射传感器，即一体化探头，发射超声波并接收一路超声波回波 信号；超声波接收器，用于接收超声波回波信号以进行后续处理，它包括四个超声波接收传 感器、四路钳位保护电路和四路超声波回波信号处理电路；四个超声波接收传感器为非一 体化探头，接收反射超声波回波信号；四路钳位保护电路实现对超声波驱动电路和超声波 回波信号处理电路的隔离；四路超声波回波信号处理电路用于对超声波回波信号进行处 理，使处理后的超声波回波信号成为控制单元能够处理的信号；计时器模块，利用控制单元 的计时功能实现，当超声波发射器工作时开始计时，超声波接收器工作时通过中断停止计 时； 方向校准单元，用于确定基准方向，此基准方向将作为设备安装时的参考方向，同时也 对风向数据进行校正，使其与实际地理方向一致，方向校准单元由数字罗盘和磁敏二极管 组成，控制单元运用I2C总线控制方向校准单元对当地磁场强度进行测量，方向校准单元将 测量得到的磁场强度数据传送至控制单元；数字罗盘和磁敏二极管均与控制单元相连； 温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成，它用于对设备进行温度补偿以保证风 速风向仪在寒冷环境下也能正常工作；温度补偿单元将检测的实时温度数据传送至控制单 元，控制单元在温度低于设定的阈值时控制加热模块对设备进行温度补偿。温度检测模块 和加热模块分别与控制单元相连； 气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成，气压传感器实时测量的气压数据， 由数据采集模块对测量的风速数据进行修正与优化；控制单元运用I2C总线控制气压补偿 单元对实时气压进行测量，气压补偿单元将测量得到的气压数据传送至控制单元； 控制单元，与数据处理单元相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的风速 风向数据；与风速风向测量单元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和关闭 计时器模块，得到超声波传播时间；控制单元与方向校准单元相连，确定基准方向，地理北 极即地磁南极方向，用于对风向数据进行校准，使风向数据与实际风向一致；控制单元与温 度补偿模块相连，通过接收温度传感器的数据来判断是否开启加热电路，使设备在温度较 低的情况下仍能正常工作；控制单元与气压补偿单元相连，通过接收气压传感器的数据来 对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风速数据； 数据处理单元，接收控制单元的方波驱动信号、超声波回波信号、温度测量数据、磁场 方向数据和气压测量数据；对于控制单元发送的方波驱动信号，数据处理单元将其分频后 送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动超声波传感器发送超声波；对于超声波回波信 号，数据处理单元将其滤波、放大、比较处理后送入控制单元；对于温度、磁场、气压测量数 据，数据处理单元将从相应传感器接收的数据进行滤波、放大处理后送入控制单元； 机壳包括上机壳和下机壳，上机壳与下机壳通过支架相连；下机壳下方设有安装立柱， 用于支撑固定作用；控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿 单元和气压补偿单元均放置在下机壳中，四个超声波接收传感器，位于下机壳同一圆周上 且相互间隔90度，即四个超声波接收传感器内嵌在下机壳中并位于同一圆周的四点上，相 互间隔90度角，一体化超声波发射传感器也内嵌在下机壳中，且位于圆心位置；上机壳中 心，即正对一体化超声波发射传感器的位置为凸面，用于反射超声波脉冲信号。2. 根据权利要求1所述的二维反射式超声波风速风向仪，其特征在于：所述控制单元 包括ARM7TDMI控制器、RS485接口模块、存储模块和电源模块；RS485接口模块、存储模块 和电源模块均与ARM7TDMI控制器相连接；ARM7TDMI控制器用于对设备各模块发送指令， RS485接口模块用于数据的发送与接收，存储模块用于对有效数据的存储，电源模块用于对 设备各模块进行供电。3. -种利用上述风速风向仪进行风速风向测量的方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 温度检测模块将通过温度传感器测量得到的实时环境温度数据传给控制单元，控 制单元根据计算并与设定的阈值进行比较来确定是否开启加热模块，若环境温度低于设定 的阈值，则开启加热电路，对设备，即超声波传感器区域进行加热，以保证设备在较低温度 下仍能正常工作； (2) 控制单元发送方波信号并开始计时，此方波信号经分频后送入三极管和变压器组 成的驱动电路，驱动一体化超声波发射传感器发送超声波； (3) 当回波信号分别被超声波接收器接收，接收到的信号分别经各自的后续信号处理 电路进行滤波、放大、比较处理，产生各自对应的计时器中断停止信号，分别获得超声波信 号从发送到被各路超声波接收器接收到所经过的时间，记Tl为一体化超声波发射传感器 的发射、接收时间，T2-T5分别为四个（东西南北四个方向的）超声波传感器的接收时间； (4) 控制单元通过气压补偿单元和方向校准单元获得气压数据和磁场方向数据来进行 风速风向校正； (5) 风速值在X、Y两个垂直方向上的风速分量值为：根据矢量合成的原理，可以得出实际风速V和风向α的值：其中，D为下机壳圆心与上机壳凸面的垂直距离，R为下机壳四个接收传感器所在圆周 的半径，Θ为接收传感器的超声波路径与下机壳平面的夹角。
【专利摘要】本发明公开了一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法，风速风向仪包括控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元和气压补偿单元；风速风向测量单元由超声波发射器、超声波接收器和计时器模块组成；方向校准单元由数字罗盘和磁敏二极管组成；温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成；气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成。本发明采用一个一体化超声波传感器发射并接收其中一路回波信号，四个接收传感器接收反射回波信号，五个传感器被安排在同一水平面上，只利用一次发射、接收的时间差即可计算出风速风向，且测量原理简单，提升了测量精度，延长了仪器的使用寿命，并且适用于各种恶劣的测量环境。
【IPC分类】G01P13/02, G01P5/24
【公开号】CN104897924
【申请号】CN201510218835
【发明人】康宇, 崔凌云, 陈守胜, 胡峰, 李泽瑞
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月30日
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