超声波风速风向仪设计
超声波风速风向仪设计
超声波风速风向仪设计
1.研究背景及意义
风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。
2.国内外研究历史及发展状况
超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。
从国内、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。我国的超
声波流量计设计工作起步比较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已经开始批量生产并投入使用。风速测量这一领域，国内比较先进的是上海华岩仪器设备有限公司生产的２Ｄ超声波测风仪，国外比较先进的是意大利Deltaohm公司生产的HD2003超声波测风仪。
3.超声波风速风向仪介绍
1> 部分产品技术资料及特点简要介绍如下：
2>产品具体优势与特点如下：
★超声波技术，测量精度高
多个超声波探头在测量空间内实时发送、接收超声波信号，确保参数实时高效；严格的单机测试技术确保测量精度高于国内同类产品。
★全固态设计，使用寿命长
优势的材料，精密的工艺，全固态设计，使整机无任何转动部件，结构更坚
固，能抗海水、盐雾腐蚀，使用寿命长。
★无环境要求，全天候工作
仪器内置自动温控保护装置，防止极端寒冷条件下冰雪冻结超声波探头造成的测量性能下降，确保仪器可以在任何环境条件下全天候工作。
★一次性校准，终生免维护
仪器在出厂前一次性校准，使用过程中无需任何测试与校准；无需采取任何维护措施。
★无人值守，信息无线传输
仪器可采用配套的太阳能电池板供电；测量信息远程无线传输，远距离后方监视。无需铺设电缆。可广泛应用于环境恶劣的高山、海岛等无人值守的边远地区。
4.产品应用领域
作为高新技术产品，公司研发生产的系列产品在民用、军用领域市场应用前景广阔。
★民用市场
★风力发电
★气象检测
★船舶航海及钻井作业平台
★高速铁路公路网
★航空机场环境监测
★地铁、隧道与矿山开采
★军用市场
★坦克兵、高炮部队
★航空兵部队
★海岛、边远地区作战部队
★武警及公安消防部队
5.超声波的产生与传播
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，
易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等.我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收.
在本实验中，采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器，它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。
1>压电效应
某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。物质的压电效应与其内部的结构有关。
2>脉冲超声波的产生及其特点
当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时, 由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。振荡频率与晶片的厚度和声速有关, 适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波, 即超声波。此种方式发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波。
3>定位原理
利用超声波进行探测的另一个原因是超声探头发射的能量具有较强的指向性。指向性是指超声波探头发射声束扩散角的大小。扩散角越小，则指向性越好，对目标定位的准确性越高。在固体材料的尺寸测量、无损检测、超声诊断、潜艇导航等超声应用中，都利用了超声波的这一特点。
6.超声波风速风向仪的工作原理
超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，
它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。
7.超声换能器
声波的发射和接收是通过换能器来完成的。换能器是一种可以把一种形式的能量转换为另一种形式的能量的器件，而超声换能器是一种将超声能转换成电能、机械能或其他一些形式的能量的器件。目前较为常用超声波换能器是压电式超声波换能器。压电效应天然地存在于某些具有极轴的单晶体中。当把具有压电特性的某种晶体材料切割成圆片状或者方片状，并在这两个平面上涂上金属薄膜作为电极，若有机械压力压在涂有电极的表面上时，则会在两个电极面上分别引起等量异号的电荷，因而两电极间会生成一个可观测的电压，这是正向压电效应。当在两个电极上施加一电压，使之在晶体内形成一个电场时，就会得到反向压电效应，此时晶体将承受一机械应变。本系统采用市场上常见的频率为４０ＫＨｚ压电陶瓷换能器，完成超声波声能与电能之间的相互转换口。压电陶瓷换能器具有机电转换率高、容易成型、造价低廉等优点，而且通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声波换能器，如发射型、接收型和收发一体型。
8.超声波风速测量的实现方法
采用超声波进行气体流速测量可以采用三种形式：时差法、多普勒法和涡街风速测量法，此系统仅通过时差法来测量。
1>时差法风速测量的基本原理
设南北（或东西）两超声波收发器的距离为d,顺风传输时间为t12,逆风传输时间为t21，风速为V（南北为Vx，东西为Vy）
超声波传播速度为C ，有
d t 12
=C+Vx d t 21
=C-Vx Vx=d 2 (1t 12 - 1t 21
) 同理可求得Vy,进而得出风速V ，风向θ。由三角合成计算得出：
风速为：Vxy=22Vx Vy +
风向为：θ=arctan x
y V V 该法对于窄带的超声波信号，消除了声速C 的影响，被测风速只与顺，逆流
传播时间有关系，因而只要测得t12和t21，便可以求得当前被测风速，风向，
基本上消除了温度等影响。
2>传感器配置方案
为了使得超声波测量发挥最好的效果，选择一种好的传感器配置方法对有效
降低环境因素的负面影响，提高超声波风速测量的可靠性具有重要的意义。本
设计针对三种不同的传感器配置方案进行了对比试验，参与试验配置方案如下
方案1：交叉法
交叉法采用了四个RT（收发一体）超声波传感器探头，分别AC，BD两组，基于相位差方法的测量原理是在某一时刻，各组中分别有一只探头发射超声波，另一只探头接收信号，下一时刻各组探头功能装换。这样处理器可以获得2*2个接收数据，通过对这4组数据的处理可以获得风速风向值。
方案2：反射法
反射式配置方案包括两个探头极板，一个极板上安装三个RT（配置成等边三角形探头组），三个RT探头传感面保证在一个平面上，此平面平行于反射极板。三个探头轮流收发，在任意时刻，保证探头组中有一只传感器发射超声波，其余两只传感器接收信号，三只传感器轮换发射一周，可获得三组接收数据，通过计算和处理，可获得风速风向值。反射板的加入，能够使得超声波传播声程加大，利于提高测量精度。
方案3：三角配置
平面三角配置方案，将三个RT探头置于等边三角形的三个顶角，仍使用三探头轮流收发方法，获得三组测量值之后经过计算处理得到最终风速风向值。三角形边长可以做到10cm以内，传感器组及测量仪器电路板面积不大，这使得测量系统整体结构尺寸能够做的比较小，便于安装。
9.超声波发射接收电路
本系统采用频率为40KHz，收发一体的超声波换能器收发超声波信号，因此设计一套收发一体的超声波收发电路。
1>超声波发射电路
超声波发射电路由振荡电路，驱动电路及超声波换能器组成。超声波换能
器选用收发一体式，系统共用四个超声波换能器，垂直相向而放，一个超声波换能器配一套振荡电路。四套振荡电路共用一套驱动电路。分别用于顺时，逆时发射超声波信号。
2>驱动电路
超声波信号经过传播之后能量被衰减，接收电路只能接收到幅度很小的电压信号。同时超声波换能器在产生超声波时需要一个较高的瞬时脉冲电压，因此为了准确识别接收信号，需要升压电路来驱动超声波换能器。本系统中采用AD公司的微功耗升压/降压开关稳压器ADP1111来实现升压，ADP1111需要的外围器件极少，能实现升压，降压，反向模式，电压输入范围为+2~+30V,输出电压，电流均可调，输出电压由R6，R7构成的反馈网络调节，其计算公式为：V0=1.25（1+R7/R6)。为了能得到适当幅度大小的超声波接收信号，R7采用47KΩ的可变电阻器，令R6位1KΩ，通过调节R7的大小可产生最高60V的高压。
3>振荡电路
当超声换能器外加等于压电晶片固有振荡频率的脉冲时，压电晶片将会发生共振，产生超声波。超声换能器具有谐振特性，即使向发射端输入频率与谐振频率相同的任意波形，接收端输出的也是正弦波，因此本振荡电路采用方波驱动。
利于单片机产生输出40KHz的方波信号，当发射完8个脉冲后，禁止单片机信号输出，超声波经过各个超声波换能器交叉发射超声波，交叉开关将模块0~3分配给I/O口P0.0~P0.3，控制四路超声波的发射与否，各路高低电平的控制由两个场效应管（NM0S，PMOS）组成的模拟开关的开合决定。
ADP111产生的高压通过场效应管的通段来产生高压脉冲信号，驱动换能器发出超声波脉冲，系统选取低功耗，耐高压，输入内阻大的高速NMOS和PMOS作为模拟开关。Q2的栅极为低电平时，Q2截止，Q1的Vgs接近零电压，Q1截止输出低电平。因此，超声波换能器因受到40KHz的脉冲电压而产生逆变电压效应，发射40KHz的超声波。
本系统为超声波收发一体式电路，在超声波发射时为防止发射电压倒灌入接收回路中，在街上回路的接收端之前正，反接入两个二极管，以起到限压保
护作用。
4>超声波接收电路
超声波的接收是本系统的重要部分，它关系到测量数据的准确性。因而无论顺风，逆风，同一时刻只有一路超声波发射信号，一路超声波接收信号，故四个超声波换能器通过双四选一多路模拟选择开关CD4052共用一套接收电路，接收电路包括四选一多路模拟开关，带通滤波器，电压比较器。
5>模拟选择开关
CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，具有二进制控制输入端A,B 和一个禁止输入EN，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流，当EN输入端为“0”时，A,B的四种二进制组合状态用来在四对通道中选择其中的一对，可连接该输入至输出，当EN输入端=“1”时，所以通道截止。
本系统利用CD4052实现了令四路超声波发射电路复用一路接收电路，四个超声波接收信号输入端分别与CD4052的Y0，Y1，Y2，Y3通道连接，接收电路与CD4052的公共Y通道相连，P1.3与EN相连，用来决定开启/关闭接收电路，此接法可以只有在有效时间内开启接收电路，减少噪声的干扰机会，单片机的P1.1，P1.2与A,B相连，用来选择通道。要接收哪路信号，只需要设置A,B值打开相应通道开关即可，而不需要其他软件操作。
本系统中超声波的发射频率为40KHz，相距0.1m，则超声波的传播时间最短（按15℃下，风速为0，声速340m/s计算）为294us，延时一个周期25us可造成26.66m/s的偏差，即使lus的测量误差也会产生1.15.m/s的误差。由此可见，传播时间差对风速的影响是非常大的。
6>超声波的放大整形
超声波换能器的发射信号不太稳定，且经过空气的传播后，能量被大幅度衰减，接收电路只能接收到幅度很小的电压信号，为了提高接收信号的信噪比，不至于使电路产生热噪声或者外加噪音淹没微弱的超声信号，需要设计带通滤波放大电路。
超声波滤波电路设计有两种方法：
（1）利用专门的超声滤波集成电路，其结构简单，运用方便，但参数固定，只能作为一种通过的超声波滤波放大电路，不能利于调试。
（2）利用运算放大器自行设计有源带通滤波器，这种方法可以满足有特殊要求的设计。
集成超声滤波电路可以采用CX20106A（仅限于40KHz超声滤波整形。）放大整形电路如下图：
CX20106A内部逻辑方块图如下：
由于本设计基于超声波测风模拟可行性试验，故先采用成本较低的40KHz的方案，后期会选用200KHz高精度要求的电路设计方案。
10.减少风速风向测量误差可以从以下几个方面考虑：
①增加超声波换能器之间的距离d可显著减小测量误差，但是距离d的大小受到超声波换能器发射功率限制，距离过大接收电路就会检测不到超声波信号，而且传感器的体积也会变得很大。所以换能器之间的距离大小要综合考虑。
②通过判断超声波接收信号到达时间是否在230us到410us范围内，可以判断超声波在到达时间上是否存在误判，以此来消除其他因素引起的偶热误差（如飞虫，沙尘等）的可能性。
③每次传播时间差都进行16次测量，根据数据的密度选择出最准确的测量值，不仅进一步降低了传播时间的误差，而且极大降低了由于外界噪音造成的误判几率。
④采用性能更为优良的电路元件或者更换更为精密的电路来保证电路延时的稳定性，以减少测量误差。
⑤对于有规律的系统误差，反复试验与实际风速对比，得出规律，最后在风速
风向的计算中进行补偿。
注：
1：本设计暂时用到40KHz超声波换能器来初步设计模拟超声波风速测量系统的可行性，（40KHz的超声波换能器售价低廉，如下图左，收发端对于电路精度及器件相对要求不高）。
2:通过了40KHz超声波原理可行性模拟的实验后即可转到更要精度的超声波风速仪测试，这里就需要更高要求的200KHz的超声波换能器（如下图右），和精度较高的器件。
3:本设计难点在于我国市场上目前对于超声波的技术还不成熟，目前这方面资料少，对于超声波发射接收电路需要开发人员自行设计，特别是对接收电路精度要求比较高。
40KHz超声换能器
200KHz超声换能器
超声波风速风向仪设计
超声波风速风向仪设计 1.研究背景及意义 风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。 2.国内外研究历史及发展状况 超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。 从国内、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。我国的超声波流量
超声波风速风向仪设计说明
& 超声波风速风向仪设计 1.研究背景及意义 风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。 2.国外研究历史及发展状况 超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。 从国、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管
(完整版)风速仪风向标原理
风速仪风向标原理 当前风场所使用的风速仪风向标种类主要有两种，机械式和超声波风速风向仪，其中使用较多的是机械式风速仪，利用机械部件旋转来敏感风速大小，并结合风向标获得风向，尽管这种方法简单可靠，但由于其测量部分具有机械活动部件，在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，寿命有限，维护成本较高。另外，其检测精度也不高，而采用超声波风速风向测量系统，精度高，可靠性高，寿命长且维护成本相对较低。 1.超声波风速风向测量原理 系统由超声波探头，发射接收电路，电源模块，发射接收控制及数据分析处理中心和数据结果显示单元组成。四个超声波探头成90度布置。可以测到两个方向的风速值，经矢量合成运算，可以得到风速风向值。发射接收电路在不同时刻，即可以驱动探头发射超声波，又可以接受探头受到的超声波信号，可以地隔离、发射接收互不影响。电源模块提供电路所需要的5V和12V直流稳压电源。发射接收控制及数据分析处理中心产生超声波信号，经发射接收电路放大后驱动探头发射；对探头接收带的信号进行采样，将模拟信号转换为数字信号；对探头的发射接收顺序进行控制；对发射时刻和信号到达时刻进行判断，计算出传播时间;分析处理数据结果，计算出风速风向值，传输给数据结果显示单元，数据结果显示单元将以数字形式直观的现实出瞬时风速风向值或某一段时间的平均风速值 2机械式风向标（NRG相同工作原理）
图1 图中：WIND ORIENTATION VANE ：风向标 风向标和风速计位于机舱的后部外侧。 风向标包括两个需要提供24V电源（白色+，棕色/黄色/粉红色-）的光耦合器：B302指示0°，B303指示90°。在风向标（底部）的固定部分有底座，外加整个电子电路。不固定部分（顶部）包括风向标本身和位于基座内部的金属半环。 金属半环的作用是随着风向标的转动,通过光耦合器起动它们或者停止它们的工作。 当金属半环通过光耦合器时信号为低电平（0V），而出现相反的情况时信号为高电平（24V）。见图1。 恒定的高电平信号表示0%屏蔽，也就是说，金属环不在光耦合器里。 在高电平和低电平之间变动的信号表示50%屏蔽，也就是说，金属环“是-不是”恒定通过光耦合器。 恒定的低电平信号表示100%屏蔽，也就是说，金属环一直在光耦合器里。 根据这些百分比，可以得知机舱的偏向。 当机舱已被定向，而风向标随着风摆动时，0°传感器信号（绿色电缆），在高电平和低电平之间一直变化；而90°传感器信号（灰色）给出恒定的高电平信号。
超声波风速风向仪设计
超声波风速风向仪设计
超声波风速风向仪设计 1.研究背景及意义 风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。 2.国内外研究历史及发展状况 超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。 从国内、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。我国的超
矿用超声波风速风向仪及其测风方法与设计方案
本技术涉及一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法，其中，所述超声波风速风向仪包括主控模块、滤波电路、信号放大电路、按照空间三维坐标系分布的六个超声波收发传感器、数据处理模块、服务器及电脑终端；所述空间三维坐标系中包括三条互相垂直的坐标轴，每条坐标轴上各分布两个相对的超声波收发传感器，每条坐标轴上的两个超声波收发传感器在原点两侧对称分布。本技术提供的矿用超声波风速风向仪及其测风方法，能够适应矿井恶劣的使用环境。 技术要求 1.一种矿用超声波风速风向仪，其特征在于，包括主控模块、滤波电路、信号放大电路、按照空间三维坐标系分布的六个超声波收发传感器、数据处理模块、服务器及电脑终端；所述空间三维坐标系中包括三条互相垂直的坐标轴，每条坐标轴上各分布两个相对的超声波收发传感器，每条坐标轴上的两个超声波收发传感器在原点两侧对称分布；其中： 所述主控模块发送开始测量信号，所述滤波电路及所述信号放大电路开始工作，所述超声波收发传感器两两对发测速超声波信号，直至所有超声波收发传感器均完成测速超声波信号的收发； 所述主控模块将测定数据传输到所述数据处理模块进行数据处理，以获得矿井巷道的风速风向信息；所述数据处理模块通过RS485或WIFI信号将所述风速风向信息传输到所述服务器及控制电脑终端。 2.根据权利要求1所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述超声波收发传感器包括超声波换能器、收发信号主控模块、声波发射驱动模块、滤波放大模块、时间计算单元、信号处理模块以及回波信号接收模块，其中：
所述超声波换能器包括依次相连的缓冲保护层、声波吸收物质和控制电路模块，所述超声波换能器的外壳上涂有隔音涂层，所述缓冲保护层中设置有压电振子，所述控制电路模块通过信号线缆与外部进行数据交互。 3.根据权利要求2所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述缓冲保护层由硬质硅脂材料构成，以保护所述超声波换能器内部的压电振子及控制电路模块不受井下环境的影响。 4.根据权利要求2所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述压电振子由具备压电效应的复合晶体材料制成，以将所述超声波换能器发射声波的电信号转换为机械振动信号，并将接收到的机械振动信号转换为电信号。 5.一种应用于如权利要求1至4中任一所述的矿用超声波风速风向仪的测风方法，其特征在于，所述方法包括： 超声波收发传感器中的收发信号主控模块控制声波发射驱动模块产生声波发射电信号，并经由滤波放大模块对所述电信号处理以后传输到超声波换能器处，以发射超声波信号； 所述超声波信号在传输过程中，遇到障碍物反射，形成超声回波信号； 超声波收发传感器中的回波信号接收模块接收到所述超声回波信号，并将所述超声回波信号转换为电信号，转换后的电信号经由滤波放大模块滤除噪音信号及放大处理后，经由信号处理模块判断处理，最后经由时间计算单元记录超声波信号收发所需的时间，以得到超声波换能器到障碍物之间的距离。 6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，按照下述公式确定风速在空间三维坐标系中三个坐标轴上的分量： 其中，Vi表示风速在其中一个坐标轴上的分量，li表示在该坐标轴上两个超声波收发传感器之间的距离，t2表示超声波在逆风中的传播时间，t1表示超声波在顺风中的传播时间。 7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 将风速在所述三个坐标轴上的分量进行矢量合成，以得到所述风速在空间三维坐标系中的速度值及风向值。 技术说明书 一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法 技术领域
CD-UA09超声波风速风向仪通信协议
CD-UA09超声波风速仪通信协议 本文为详细描述超声波风速仪CD-UA09的通信协议。CD-UA09超声波风速仪可以使用NMEA0813通信协议和modbus通信协议与其通信。NEMA0813为国际标准，modbus协议为工业标准。 1NEMA通信协议内容 1.1概述 NMEA(National Marine Electronic Association)即美国国家海洋电子协会标准，使用在几乎世界各地的船舶上。标准的内容依据于以下文件 NMEA0183Standard Version2.30dated March1st.1998 1.2协议内容 发送字符串解析 1.2.1$WIMWV风速与风向解析 字节字符名称标注 1$开始符 2W头字符（weather） 3I头字符（instrument） 4M头字符 5W头字符 6V头字符 7,逗号 80…9风向，百位 90…9风向，十位 100…9风向，个位 11.小数点 120…9风向，十分位 13,逗号 14R相关 15,逗号 160…9风速，十位 170…9风速，个位 18.小数点 190…9风速，十分位 20,逗号 21M米制单位(m/s) 22,逗号 23A or V A为有效，V为无效 24*校验分隔符 25∑high高位字符和 26∑low低位字符和 27
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风力发电机组风向风速仪原理及注意事项
1. 二维超声波风速风向仪产品介绍： JC-NU60F-2D1型超声风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风 速的测量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；本风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。 它具有重量轻、没有任何移动部件，坚固耐用的特点，而且不需维护和现场校准，能同时输出风速和风向。客户可根据需要选择风速单位、输出频率及输出格式。也可根据需要选择加热装置（在冰冷环境下推荐使用）或模拟输出。可以与电脑、数据采集器或其它具有RS485或模拟输出相符合的采集设备连用。如果需要，也可以多台组成一个网络进行使用。 JC-NU60F-2D1型超声波风速风向仪是一种较为先进的测量风速风向的仪器。由于它很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用．它将是机械式风速仪的强有力替代品。 2.二维超声波风速风向仪产品技术参数说明：
3. 二维超声波风速风向仪产品尺寸以及安装固定方式：
对于对于风力发电机组来说红色标记必须对准机头，寻找风向。 问题一、这个东西怎么测量风速风向呢？ 超声波风速仪广泛应用于气象、风电、环境、桥梁、隧道等各种领域。风速仪的种类繁多，其中风杯式和螺旋桨式应用最为广泛。但是由于传统的风杯式和螺旋桨式风速仪存在旋转部件，存在摩擦损耗，而且很容易受到冰冻和雨雪天气的干扰，这种风速仪的精度不高。超声波风速仪拟补了以上缺陷，它测量精度高、使用寿命长、体积小而且能够测量瞬时风速，超声波风速仪根据原理可分为时差法、反射法、多普勒法等类型，其中时差法的应用最为广泛。时差法是通过已知的距离计测超声波的传播时间，从而计算出超声波的传播速度，实现风速的测量。对于风力发电机来说所处的环境是非常的复杂的包括风速大、温度变化大、沙尘天气、雨雪天气、暴风雨天气等极端天气对风速的测量产生不良影响，综合来看时差法测量风速是比较合适的，因为反射法、多普勒法等类型对空气的要求太高了。
超声波测风仪风速的不同算法误差分析
第４２卷一第１期气象与环境科学Ｖｏｌ.４２Ｎｏ.１２０１９年２月 ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ Ｆｅｂ.２０１９ 收稿日期:２０１８－０９－１０?修订日期:２０１８－１２－１５ 基金项目:中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室项目(ＡＭＦ２０１４０２) 作者简介:涂满红(１９７３)?女?江西南昌人?高级工程师?硕士?从事大气探测业务二科研二观测仪器与观测方法标准化研究等.Ｅ￣ｍａｉｌ:ｔｕｍａｎｈｏｎｇ＠１６３.ｃｏｍ 涂满红?曹云昌?詹国伟?等.超声波测风仪风速的不同算法误差分析[Ｊ].气象与环境科学?２０１９?４２(１):１１９－１２６. ＴｕＭａｎｈｏｎｇ?ＣａｏＹｕｎｃｈａｎｇ?ＺｈａｎＧｕｏｗｅｉ?ｅｔａｌ.ＥｒｒｏｒＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＡｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＷｉｎｄＳｐｅｅｄＭｅｔｅｒ[Ｊ].ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎ￣ｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ?２０１９?４２(１):１１９－１２６.ｄｏｉ:１０.１６７６５/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７３－７１４８.２０１９.０１.０１６ 超声波测风仪风速的不同算法误差分析 涂满红１?曹云昌１?詹国伟２?赤桑单吉３ (１.中国气象局气象探测中心?北京１０００８１?２.茂名市气象局?广东茂名５２５０００?３.山南市气象局?西藏山南８５６０００) 一一摘一要:超声波测风仪与气象业务用风向标测风仪相比具有诸多优势?可为气象业务中风向风速观测急需解决的较多问题提供解决方案?为促成超声波风速仪尽早在气象部门业务应用?同时解决资料同化等问题?研究和选择适用于超声波测风仪的风速平均(平滑)算法显得极为重要?为此?从超声波测风仪测量原理出发?介绍了超声波测风仪获取数据的特点?利用台站获取的超声波测风仪风速的秒数据?采用不同时段二不同平均(平滑)方法?计算风速多种形式的平均值?通过统计二分析和比较?获得了标量和矢量不同算法下风速平均值的特性差异及其之间的误差?进一步验证了标量平均大于矢量平均的结论?通过对超声波测风仪的风速算法研究及其误差分析?对减小因算法带来的风速测量误差提供方法?同时探讨了超声波测风仪在气象业务使用的可能和方向? 关键词:超声波测风仪?秒数据?算法?误差分析 中图分类号:Ｐ４１２.１６一一一一文献标识码:Ａ一一一一文章编号:１６７３－７１４８(２０１９)０１－０１１９－０８ 引一言 目前被广大气象台站作为常规观测仪器广泛使用的转动型风杯二风向标测风仪存在诸多问题?较为突出的问题是高寒地区气象台站及内陆高山测站冬季风观测时?不同程度地面临着积雪和结冰的问题?轻者影响风的观测资料的准确性?重者甚至危及观测资料的连续性[１]?与气象业务用风向标测风仪相比?超声波测风仪具有测量准确度高?没有旋转部件?牢固耐用?且能全天候二长时间工作等优点?克服了机械式风速风向仪启动风速大二因惯性造成测量误差等问题?更为高山站二严寒站冬季旋转部件和风杯冻结造成数据缺测等问题提供了解决方案?超声波风速仪已经成为机械式风速仪的强有力替代品?在航空二航海领域得到了广泛应用?超声波测风仪应是今后地面风观测仪器的主要替代品[２]? １一测量原理 ２０世纪６０８０年代?声学风速仪通过不断的理 论技术创新?通过一系列野外观测试验及风洞对比试验观测改进?得到了长足的发展?观测频率不断提高?由最初的一维发展到了现在常用的二维甚至三维超声风速仪[３]?其探测原理是超声波在介质中传播时?介质的流速在声波的速度上叠加?从而对声速产生影响?造成超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之间存在差值?通过差值的测量可以导出介质的流速?声波在传播过程中?发射信号在接触到障碍物时?会产生多普勒偏移?频率的偏移大小与声波传播介质(气体等)的速度有关?因此?只要获取接收信号和发射信号的频率差?就可以导出介质流速?而根据Ｋａｒｍａｎ涡街理论?利用穿过介质的超声波束被旋涡发生体形成的旋涡调制的现象?通过从已调波中检出旋涡频率的方法也可以用来测定介质流速?与以上三种超声波传播过程中的现象相应的超声波流量检测方法分别为时差法二多普勒法和涡街风速测量法?当应用在风速风向测量时?使用的测量方法多为时差法?多普勒法和涡街风速测