CN101813709A - 四面体结构超声风传感器及其测量方法 - Google Patents
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一种四面体结构超声风传感器及其测量方法，包括支座与底座上的超声波探头，以及支座和底座间的支架，和位于底座下方的控制舱，其特征在于在支座或者底座上垂直设有一只探头，且在底座或者支座上设有三只探头，且上述四只超声波探头的顶端面的四个中心点，是空间四面体的四个顶点。或者是在底座上垂直设有一只超声波探头，在支座上设有三只超声波探头。其测量方法是：四只探头两两之间确定的测量风速路径；首先利用两条水平面内的路径上的风速分量合成二维风速，再用该二维风速与平面外的风速分量合成三维风速矢量。本发明将探头数由六只减少为四只，既精简了结构，又降低了成本和故障率；且将测量路径由三条增加为六条，简化了计算风速的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及自然风场的测量装置，具体涉及一种四面体结构超声风传感器及其测量方法。
背景技术
利用超声风传感器测量风速的优势在于不含运动部件，环境适应性好，测量范围广，并且没有最低测量风速的限制。已有的经典结构的三维超声风传感器，都是由三对(六只)超声波探头构建三维测量风场。上述超声波探头为基本测量单元，其内部包含有压电晶片，用于发射和接收固定频率的超声波，发射时压电晶片将电能转换为机械振动而产生超声波，接收时压电晶片将超声波产生的机械振动转换为电能。其超声波探头前端的散射罩为平面圆形，每一对探头的散射罩彼此正对，使超声波探头可以互相收发超声波，构成一条测量路径，而且三条路径构成三维正交坐标系(三维笛卡尔坐标系)。通过测量超声波在每条路径上来回传播的时间差，计算矢量风在三条路径上的分量，再经过矢量合成的运算，得到标准坐标系下的三维风速。
基于这种结构的超声风传感器存在几项缺点，首先是它必须使用六只超声波探头，一方面增加了成本和结构的复杂度。另一方面故障率较高。只要任何一只探头发生故障，测量结果无效，传感器损坏无法使用。
另外，由于三条测量路径都不在水平方向上，也不在竖直方向上，因此要得到标准坐标系(XY-平面平行于水平面的三维笛卡尔坐标系)下的X，Y，Z三轴分量，必须经过复杂的空间几何运算而增加了计算的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四面体结构超声风传感器及其测量方法，以弥补现有技术的不足。
本发明的技术方案包括支座与底座上的超声波探头，以及支座和底座间的支架，和位于底座下方的控制舱，其特征在于在支座上垂直设有一只超声波探头，在底座上设有三只超声波探头；且上述四只超声波探头的顶端面的四个中心点，是空间四面体的四个顶点。
或者上述四面体结构超声风传感器，是在底座上垂直设有一只超声波探头，在支座上设有三只超声波探头。
上述安装在支座或底座上的三只超声波探头的顶端面的中心点所确定的平面平行于水平面。
上述以四只超声波探头的顶端面中心点为四个顶点的四面体，可以为正四面体，直角四面体，或其它的四面体。
为了更好地发散超声波以及保护超声波探头的压电晶片，在超声波探头顶端设有陶瓷材质的散射罩，其表面形状为球冠面，并且散射罩的底面与超声波探头的顶端面重合。
利用上述四面体结构超声风传感器测量风速的方法是：首先以支座或底座上的三个中心点所在的水平面为XY-平面，以XY-平面内的一个中心点为坐标系原点O，以一条XY-平面内过原点O的路径为X轴，在XY-平面内过原点O作X轴的垂线为Y轴，过原点O作XY-平面的的垂线为Z轴，X、Y、Z三轴按照右手定则的指向建立一个标准坐标系；在标准坐标系下测量声波在风场中沿每条测量路径正反两个方向上传播的时间差，以声速和时间表达每条路径上的风速分量，然后利用两条水平面内的路径上的风速分量合成XY-平面上的二维风速，再用该二维风速与XY-平面外过原点O的风速分量合成三维风速矢量，分解该矢量，即得到标准坐标系下的X，Y，Z三轴风速分量。
本发明与现有技术相比的有益效果是：将超声波探头的数量由六只减少为四只。由于探头数量的减少，既精简了传感器结构，又降低了成本和故障率。本发明设计的一种带有球冠面散射罩的超声波探头，具有良好的曲面发散性，将测量路径由三条增加为六条，其中有三条测量路径位于XY-平面上，大大地简化了计算标准X，Y，Z三轴风速分量的复杂度。
附图说明
图1本发明的底座上安装三只超声波探头的传感器示意图。
图2本发明的支座上安装三只超声波探头的传感器示意图。
图3本发明的超声波探头、及其顶端面上的中心点示意图。
图4本发明的测量方法示意图。
其中，1、超声波探头，2、支架，3、支座，4、底座，5、控制舱，6、散射罩，7、中心点，8四面体。
具体实施方式
如图1、2和4，本发明包括支座3与底座4上的超声波探头1，以及支座3和底座4间的支架2，和位于底座4下方的控制舱5，其特征在于在支座3上垂直设有一只超声波探头1，且在底座4上设有三只超声波探头1，且上述四只超声波探头1的顶端面的中心点7，是空间四面体8的四个顶点。
或者上述四面体结构超声风传感器，是在底座4上垂直设有一只超声波探头1，在支座3上设有三只超声波探头1。
上述安装在底座4或者支座3上的三只超声波探头1的顶端面的中心点7所确定的平面平行于水平面。
上述以四只超声波探头1的顶端面中心点7为四个顶点的四面体8，可以为正四面体，直角四面体或其它的四面体。
如图3，上述超声波探头1为本发明的基本测量单元，可以发射和接收固定频率的超声波，是已有的市售产品。为了更好地发散超声波以及保护超声波探头1的压电晶片，在超声波探头1顶端设有陶瓷材质的散射罩6，其表面形状为球冠面，并且散射罩6的底面与超声波探头1的顶端面重合。
如图1、2，上述支架2为三条夹角互成120度的刚性装置，用于固定支座3；支架2的两端分别固定于支座3和底座4上，内部空间用于电气走线。这是一种已有的成熟支架结构，可以尽量减弱遮挡效应对测量的影响。
上述控制舱5采用已有的成熟电路，是本发明的电路控制部件，用于产生、发射、接收超声波信号，并经分析计算得到测量结果。
如图4，本发明中包含四只超声波探头，两两可以互相收发超声波，所以本发明所述的传感器共有a，b，c，d，e，f六条测量路径。
如图4，本发明的测量方法：以底座4上的超声波探头1的三个中心点7所在的水平面为XY-平面，以XY-平面内一个中心点7为坐标系原点O，以一条XY-平面内过原点O的路径为X轴，过原点O在XY-平面内作X轴的垂线为Y轴，过原点O作XY-平面的的垂线为Z轴，X，Y，Z三轴的指向按照右手定则建立一个标准坐标系；然后经由控制舱5控制一对探头互相收发超声波，计算风速在每条路径上来回传播的时间差，以时间和声速来表达每条路径上的风速分量。
然后如图4获得X、Y、Z三轴的风速分量如下：从原点O出发的三条测量路径中，路径a，b位于XY-平面之内，其中路径a是X轴，a上的风速分量即为X轴风速分量，合成a，b上的风速分量得到XY-平面上的二维风速矢量。以该矢量的终点为垂足作XY-平面的垂线。从原点O出发的路径c位于XY-平面之外，以c上的风速分量矢量的终点为垂足，作路径c的垂面，上述垂线和垂面必有一个交点，从原点O出发指向这个交点的矢量就是所要测量的三维风速矢量。分解该矢量得到Y轴和Z轴风速分量，即可完成标准坐标系下的三维风速的测量。
本发明的设置在支座3和底座4上的四只超声波探头1的四个中心点7所确定的四面体8，是适用于各种四面体。尤以正四面体和直角四面体结构在测量和计算时最为简便，下述实施例作进一步说明：
实施例1以正四面体为例
将四个超声波探头1布设在正四面体的顶点处，即四个超声波探头1的散射罩6的底面中心点7确定的四面体8为正四面体。正四面体是指四面体的四个侧面均为正三角形，六条边相等，所有顶点夹角均为60度。如图4，保持一个侧面水平，以其为XY-平面，以该平面内的一个顶点为原点O，以一条从原点O出发的水平路径为X轴，按照本发明所述的方法建立标准坐标系。正四面体具有很好的空间对称性，并且其各条路径夹角相等，因此在计算XY-平面内的二维风速、三维风速、和X，Y，Z三轴风速分量时，为矢量的空间几何运算带来了方便。
实施例2以直角四面体为例
将四个超声波探头1布设在直角四面体的顶点处，即由四个超声波探头1的散射罩6的底面中心点7确定的四面体8为直角四面体。直角四面体是指四面体有一个直角顶点，包含直角顶点的三个直角侧面两两垂直。因此，以一个直角侧面为XY-平面，以直角顶点为原点O，以从原点O出发的一条直角边为X轴，另外两条直角边为Y轴和Z轴，建立标准坐标系。如图4，即从原点出发的三条测量路径a，b，c，恰好与标准坐标系的X，Y，Z轴重合。按照本发明所述的测量方法得到这三条路径上的风速分量，即为标准X，Y，Z三轴风速分量。合成X，Y，Z三轴风速分量即得到要测量的三维风速。本实施例通过三条路径上的风速分量而直接得到X，Y，Z三轴风速分量，从而完全省去了矢量分解的运算。
Claims (6)
1.一种四面体结构超声风传感器，包括支座(3)与底座(4)上的超声波探头(1)，以及支座(3)和底座(4)间的支架(2)，和位于底座(4)下方的控制舱(5)，其特征在于在支座(3)上垂直设有一只超声波探头(1)，在底座(4)上设有三只超声波探头(1)；且上述四只超声波探头(1)的四个顶端面的四个中心点(7)，是空间四面体(8)的四个顶点。
2.一种四面体结构超声风传感器，其特征在于在底座(4)上垂直设有一只超声波探头(1)，在支座(3)上设有三只超声波探头(1)。
3.如权利要求1或2所述的四面体结构超声风传感器，其特征在于在支座(2)上或底座(3)上的三只超声波探头(1)的顶端面的中心点(7)所确定的平面平行于水平面。
4.如权利要求1或2所述的四面体结构超声风传感器，其特征在于上述以四只超声波探头(1)的四个顶端面中心点(7)为四个顶点的四面体(8)，是正四面体、直角四面体，或其它的四面体。
5.如权利要求1或2所述的四面体结构超声风传感器，其特征在于上述超声波探头(1)的顶端设有散射罩(6)，该散射罩(6)表面为球冠面，且散射罩(6)的底面与超声波探头(1)的顶端面重合。
6.利用权利要求1所述的四面体结构超声风传感器测量风速的方法，其特征在于首先以支座(3)或底座(4)上的三个中心点(7)所在的水平面为XY-平面，以XY-平面内的一个中心点(7)为坐标系原点O，以一条XY-平面内过原点O的路径为X轴，在XY-平面内过原点O作X轴的垂线为Y轴，过原点O作XY-平面的的垂线为Z轴，X、Y、Z三轴按照右手定则的指向建立一个标准坐标系；在标准坐标系下测量声波在风场中沿每条测量路径正反两个方向上传播的时间差，以声速和时间表达每条路径上的风速分量，然后利用两条水平面内的路径上的风速分量合成XY-平面上的二维风速，再用该二维风速与XY-平面外过原点O的风速分量合成三维风速矢量，分解该矢量，即得到标准坐标系下的X、Y、Z三轴风速分量。
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