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    超声波风速风向仪原理

    2020-07-01 09:54:32  来源:建大仁科
    在测风的各种仪器中,风杯风速计由于成本较低,使用方便,是使用历史*长、*常用的一种仪器。但同时也存在着不少问题,如这些机械装置因具有移动部件而易磨损、体积较大、需要经常维护,且仪器支架和安装支架对测量精度有着很大的影响。其机械结构也可能受到恶劣天气的损害,机械式风速风向仪还存在启动风速,低于启动值的风速将不能驱动螺旋桨或者风杯进行旋转,无法进行测量。
    随着发展,超声波风速风向仪走进大众视野。它采用固态设计,利用超声波在空气中传播速度受风的影响来测量风速,克服了机械式风速风向仪的一些缺点,不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题,也没有“机械惯性”,理论上可以测量的风速范围下限为零,不存在启动风速;风速上限可以分局传感器间距进行调整。
     
    在空气中,声波的传播速度被在风方向上的空气流动所改变。如果风向和声波的传播方向相同,就会提高声波的传播速度,反之则会减少声波的速度。在一个固定的测量路径中,在不同的风速和风向上叠加而成的声波传播速度会导致不同的声波传播时间。因而可以通过风速风量对超声脉冲在固定路径上两个方向的输送时间差进行风速测量。
    利用超声波测量风速风向,其核心在于测量超声波在空气中传播的时间,即所谓的飞渡时间。超声波从一个探头传送到另一个探头所需要的的时间是与风速以及超声通路有关。顺风将使超声信号传播时间递增,逆风将会使之递减。如果风速为零,信号双向的传输时间相等。如果在两个不相干方向上同时测量风速,就可以通过三角学合成计算出风速以及风向。依次原理,超声波风速仪可仅仅使用三个探头即可确定平面中的风速分向。但是在实际设计中,由于涉及到信号强弱的问题,使用四个探头的设计也较常见。
    对于特定风向传播(如东西方向或南北方向),可选用一堆收发一体的超声波探头,保证两探头距离不变,按东西或南北方向放置,以固定频率顺序发射超声波,测量两个方向上超声波到达时间,由此得到顺风的传播速度和逆风的传播速度,经过系统处理换算即可得到风速值。
    一般,超声波风速风向仪包含三个发送和接收一体的超声波传感器,实现三维空间内风速和风向的测量。测试仪具有环境温度测试单元,由此测量并补偿环境温度对超声波传播速度的影响。超声波在空气中传播时,顺风与逆风方向传播的时间差与待测风速具有线性关系。
    超声波风速风向测试仪硬件模块主要有超声波传感器、超声波发送驱动及接收处理电路、实时时钟、FLASH、RS485、AD采样、探头温度测量电路、探头加热电路等。
    超声波传感器模块:由超声波传感器和超声波发送驱动、接收处理电路组成。超声波发送驱动将单片机产生的脉冲信号发送给超声波探头发射;超声波接收探头接收到超声波信号后,由接收处理电路进行信号滤波、信号放大及电压比较电路等,通过IO引脚产生中断输入到单片机。
    超声波收发控制模块:选择当前工作的收发探头,发射、接收脉冲信号,测量超声波脉冲的接收时间,并计算风速、风向值。
    FLASH:用于保存测试仪的设置参数及风速、风向的测量数据。
    RS485:用于与计算机通信,便于用户实时监测、获取及修改设备参数
    AD与测温电路:用于测量超声波传感器探头表面温度。
    加热模块:在工作温度较低的环境下,用于给四个超声波传感器加热,防止探头表面结冰,影响测试仪测量。
     
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