CN102175887B - 移动式超声波风速风向仪及测量风速风向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动式超声波风速风向仪及测量风速风向的方法，该装置包括超声波风速风向测量单元、移动式系统载体速度测量单元以及系统方向测定单元，风速风向测量单元包括基座、控制电路板、六个测量臂和六个超声波发射/接收传感器，测量臂与基座相连，并且依次成60度夹角；每个测量臂上各设一个超声波传感器；系统载体的速度及方向测量单元包括速度传感器和方向测定部件；同时本发明还提供了一种运用超声波在移动情况下测量实际环境条件下风速风向的方法，所述方法为：通过超声波风速风向测量单元测量出移动式情况下的风速风向参数，结合测量到的系统载体移动速度和方向参数，计算出系统在移动情况下所测的实际环境条件下的风速风向参数。

Description

移动式超声波风速风向仪及测量风速风向的方法

技术领域

本发明涉及风速风向测量技术领域，特别涉及一种移动式超声波风速风仪以及运用超声波结合速度、方向测定部件测量移动式情况下风速风向的方法，该仪器是一种可适用于轮船、汽车或现场气体监测等移动式或固定式情况下的风速风向测量仪器。

背景技术

    目前现有的风速风向仪主要为固定式测风仪；而在环境检测、航海、工业风道检测以及危险性气体的测量和移动式气象站的建设等领域，由于检测系统本身的方向及速度等都是时刻在移动着，而传统固定式测风仪由于没有对方向及速度等方面进行测量和修正，因此，固定式风速风向仪无法满足轮船、汽车、风电场等应用环境中系统移动式情况下的风速风向测量应用；而且传统的机械式风速仪由于存在密封问题，使得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等现象的发生；同时，机械式测风仪由于存在机械磨损等缺点，降低了仪器的使用寿命；热敏式风速仪又因为容易受环境温度变化的影响而不适宜测量稍高一点的风速；近年来使用的超声波测风仪，由于使用8/16位等低位单片机作为微处理器，使得系统在数据处理、通信、测量精度方面都会造成一定的限制和误差；另外，由于超声波传感器阴影效应的存在，平面内测风会造成大的测两误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动式超声波风速风仪，以及运用速度、方向测定部件结合超声波信号在移动式情况下测量实际环境条件下风速风向的方法。该仪器通过相对固定的三对超声波发射/接收传感器测量随空气流动的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时间差，利用时差法计算出空气流动的速度，并利用仪器速度测量元件和方向测定部件对系统的数据进行修正，从而获得三维空间上的风速风向参数以及代表实际环境条件下风速风向的平面内风速风向参数。

为实现上述目的，本发明提供了一种移动式超声波风速风向仪，它包括超声波三维风速风向测量单元、移动式系统载体的速度及方向测定单元，三维风速风向测量单元包括基座、控制电路板、三个长测量臂及三个短测量臂和六个超声波发射/接收传感器，六个测量臂分别与基座相连，各测量臂与基座相连的接点之间依次成60度夹角；相对成180度角的三对测量臂上各安装一个超声波发射/接收传感器；系统载体的速度及方向测定单元包括速度传感器和方向测定部件，并分别与控制电路板相连接；

本发明提供的移动式超声波风速风向仪的控制电路板包括电源、微处理器及附属电路、超声波发射驱动电路及信号接收电路，所述超声波发射驱动电路、接收电路连接微处理器的控制端和中断端。

本发明提供的移动式超声波风速风向仪还包括安装在控制电路板上的温度传感器，该温度传感器与微处理器相连，用于测量环境温度，并将测量结果传入微处理器。相应的，在所述控制电路板上还设有低温加热电路，该低温加热电路与微处理器的控制端相连接。

本发明提供的移动式超声波风速风向仪还包括液晶屏和按键，它们分别与微处理器的输入和输出电路相连。

本发明提供的移动式超声波风速风向仪设有与上位机通信的接口电路。

本发明提供的移动式超声波风速风向仪的控制电路板安装于基座内。

本发明还提供了一种运用超声波测量风速风向，并利用系统移动式载体速度及方向测定单元对所测参数进行修正，从而得出实际环境条件下的风速风向参数的方法。

该移动式情况下利用超声波测量风速风向的方法包括：

利用三对超声波发射/接收传感器测量出三维空间里的风速风向参数；

利用系统移动式载体速度测量单元测量出移动式载体当时的移动速度；

利用系统移动式载体方向测定单元测量出移动式载体当时的方向参数；

结合测量出的速度及方向参数，根据三维空间矢量加、减法，对超声波三维风速风向测量单元测量出的风速风向参数进行移动式情况的修正，从而得出实际环境条件下的风速风向参数。

该方法具体为：

用超声波三维风速风向测量单元中的第一超声波发射/接收装置和第四超声波发射/接收装置分别测量接收到来自对方发送的超声波信号的时间；

用第二超声波发射/接收装置和第五超声波发射/接收装置分别测量接收到来自对方发送的超声波信号的时间；

用第三超声波发射/接收装置和第六超声波发射/接收装置分别测量接收到来自对方发送的超声波信号的时间；

根据测量到的时间、所述第一超声波发射/接收装置和第四超声波发射/接收装置间的距离、所述第二超声波发射/接收装置和第五超声波发射/接收装置间的距离及所述第三超声波发射/接收装置和第六超声波发射/接收装置间的距离计算出移动式情况下的三维风速风向参数，以及平面内的风速风向参数。

用速度传感器测量出系统移动式情况下的速度参数；       

用方向测定部件测量出系统移动式情况下的方向参数；

根据速度和方向参数结合平面内的风速风向参数，可计算出在移动式情况下测量到的实际环境条件下的风速风向。

所述第一超声波发射/接收装置与第四超声波发射/接收装置在同一垂直平面；所述第二超声波发射/接收装置与第五超声波发射/接收装置在同一垂直平面；所述第三超声波发射/接收装置与第六超声波发射/接收装置在同一垂直平面。

所述第一超声波发射/接收装置与水平面成正45度夹角、第二超声波发射/接收装置与水平面成正45度夹角、第三超声波发射/接收装置与水平面成正45度夹角、第四超声波发射/接收装置与水平面成负45度夹角、第五超声波发射/接收装置与水平面成负45度夹角、第六超声波发射/接收装置与水平面成负45度夹角，且第一超声波发射/接收装置与第四超声波发射/接收装置相对、第二超声波发射/接收装置与第五超声波发射/接收装置相对、第三超声波发射/接收装置与第六超声波发射/接收装置相对，同时，第一超声波发射/接收装置、第二超声波发射/接收装置、第三超声波发射/接收装置、第四超声波发射/接收装置、第五超声波发射/接收装置、第六超声波发射/接收装置与基座分别相连的接点间依次成60度夹角。

所述第一超声波发射/接收装置和第四超声波发射/接收装置间的距离、所述第二超声波发射/接收装置和第五超声波发射/接收装置间的距离及所述第三超声波发射/接收装置间的距离相等。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、  利用速度测量元件及定向部件对系统的测量数据进行修正，不仅解决了固定式仪器无法满足移动式情况下风速风向测量的技术问题，同时采用可靠的方向测定部件进行系统的方向测定，解决了在山区及被遮挡等地方无法精确获得方位数据的技术问题。

2、  采用高频的超声波信号作为测量用信号以及结合采用高主频的微处理器，不仅提高了系统的测量精度和分辨率，也提高了系统的通信能力；同时，采用独特的电路设计减少了超声波传感器的阴影效应对测量精度的影响；解决了现有技术测量精度低、自动化程度不高等技术问题。

3、  利用超声波技术进行风速风向的测量，由于没有动作部件，因此不易受环境的影响，能够适用于恶劣气候条件下的风速风向的测量；解决了现有技术使用寿命短、容易受环境条件影响等技术问题。

附图说明

图1是本发明提供的移动式超声波风速风向仪结构组成框图；

图2为本发明提供的测量控制电路原理框图；

图3为本发明提供的超声波三维风速风向测量单元结构示意图；

图4为本发明提供的超声波传感器发射驱动电路图； 

图5为本发明提供的超声波接收电路原理图； 

    图6为本发明提供的速度传感器输入信号处理电路原理图；

    图7为本发明提供的低温加热电路原理图；

图8为本发明提提供的移动情况下风速风向测量的程序流程框图；

图9为本发明提供的运用超声波测量风速风向，并利用系统移动式载体速度及方向测定单元对所测参数进行修正，从而得出实际环境条件下的风速风向参数的方法原理示意图；

图10为本发明提供的运用超声波测量风速风向，并利用系统移动式载体速度及方向测定单元对所测参数进行修正，从而得出实际环境条件下的风速风向参数的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的描述。

如图1所示是本发明提供的移动式超声波风速风向仪结构组成框图，其超声波风速风向测量单元负责测量移动情况下的风速风向参数，系统载体速度测量单元负责测量系统移动时载体的移动速度数，系统载体方向测定单元负责测量系统移动时载体的方向参数，系统控制单元则负责对移动情况下所测的风速风向参数进行系统修正，进而计算得出实际环境条件下的风速风向参数。如图3所示为为本发明提供的移动式超声波风速风向仪中的超声波三维风速风向测量单元的结构示意图，本发明提供的移动式超声波风速风向测量单元包括基座1、控制电路板和安装在基座上的六个测量臂：第一测量臂21、第二测量臂22、第三测量臂23、第四测量臂24、第五测量臂25、第六测量臂26，六个测量臂包括三个等长的长测量臂和三个等长的短测量臂，长、短测量臂与基座相连的接点之间依次相隔60度。在各个测量臂上远离基座的一端各安置一个超声波发射/接收传感器，分别为：第一超声波发射/接收传感器31、第二超声波发射/接收传感器32、第三超声波发射/接收传感器33、第四超声波发射/接收传感器34、第五超声波发射/接收传感器35、第六超声波发射/接收传感器36，且相对为180度角的两个测量臂上的传感器也成180度角相对安装，即31和34成180度角相对安装、32和35成180度角相对安装、33和36成180度角相对安装，即一个长测量臂与一个短测量臂组成一对，共三对测量臂；31、32、33与水平面分别成正45度夹角，34、35、36与水平面分别成负45度夹角，且三对传感器之间的距离均相等，这样的结构设计可大大减小超声波传感器的阴影效应对平面内风速风向测量精度的影响，同时也可测量出三维空间里的风速风向参数，从而避免了传统风速仪只能测量平面内风速风向参数的缺点。超声波发射/接收传感器及速度传感器与控制电路板通过导线连接，控制电路板安装于基座1内。为使风速风向仪的结构适宜移动性要求，本发明中三个短测量臂由不锈钢、铜等较坚固的材料经两次弯折塑形而成，长测量臂则由相同材料经三次弯折塑形而成。

本发明中选用的超声波发射/接收传感器为具有较小温度-声速系数和声阻抗的超声波传感器FUS-200A,不仅可用作发射信号，同时也可作为超声波信号的接收传感器，因此，解决了传统超声波分立安装超声波发射和接收传感器的困难。或者也可以使用更高一点中心频率的超声波传感器，但同时也会要求系统的发射功率会有所增加。

本发明中控制电路板上采用的微处理器为ARM，这里选用三星公司的s3c2440微处理器，其主频可达到533MHz，定时器的输入频率更可高达50MHz及以上，使得系统的定时精度和测量精度都有大幅提升。微处理器作为系统的核心集成于控制电路板上，图2所示为控制电路板及附属电路的原理框图。

图4和图5中给出了超声波风速风向测量单元的发射驱动电路和接收电路。图4中的NPN三极管通过微处理器发出脉冲来控制其导通与截止，从而使得电源功率经变压器后激励超声波传感器产生超声波信号。由于超声波发射/接收传感器FUS-200A采用的是单探头形式，因此，图4和图5中的A点相连，图4中的TOUT0与图5中的B均与微处理器的I/O引脚相连；其中变压器的主要功能为阻抗匹配以及功率传递，并将12V直流电压转换为50V左右的直流脉冲电压。

移动式超声波风速风向仪可采用RS485或RS232接口电路与上位机进行通信。另外，控制电路板上还集成速度传感器的连接输入电路，该电路原理图如图6所示，主要负责速度传感器传入信号的处理和传输，系统利用速度传感器对铁磁材质的齿轮（或凹槽）经过传感器元件表面时，感应出的电压会发生变化这一原理，从而产生电压差，即提供了一个可测量脉冲信号，并且这个测量信号的频率与转速成正比。本系统中采用霍尔传感器N1H-5C-70作为速度传感器，或者也可使用其他精度更好的速度传感器进行代替，速度传感器的输出信号经导线与控制电路板相连；同样由于实际应用环境可能存在各种干扰等，因此，控制电路板上集成有速度传感器传入信号的处理电路，如图6所示为该信号处理电路原理图，该信号处理电路包括电流电压转换、整形等电路，而后连接至微处理器的I/O引脚。

由于系统在移动时，其自身的方向可能是随时变化的，因此，对系统自身的方向进行检测也是必须的。现代技术测方向可大概归结为两种方法：一种是利用GPS定位系统，另一种是利用地球固有的磁力研制成的罗盘类方向测定部件，本系统采用具有数字通信能力的电子罗盘FNN-3300作为测量系统方向参数的核心部件，并通过RS232接口电路与微处理器相连接，使得通信更具可靠性。

考虑到系统可能处于0⁰C以下的环境中进行风速风向的检测，由于0⁰C以下的环境可能使传感器的表面结冰而导致仪器的测量精度变差，因此，控制电路上还集成有环境温度检测电路和低温加热电路，温度检测电路的核心为数字传感器LM92，温度误差小于1⁰C，该温度传感器为I²C接口，使用方便，也可以使用精度更高的温度传感器。图7所示为低温加热电路原理图，其中的加热部分采用12v供压的加热片，加热片可贴在测量臂的内壁上，在六个测量臂靠近超声波传感器的一端各安装一组，并在基座内的控制电路板上安装两组，其中的控制端均连接到微处理器的控制口GPB3。当检测到环境温度低于5⁰C时，此低温加热电路在微处理器的控制下对超声波传感器所处的测量臂内区域进行加热工作，而当温度高于25⁰C时，此低温加热电路经微处理器控制而停止加热工作；使得系统不会因所处的环境温度过低而影响系统的工作。

电源部分为整个系统提供电能，通常可以采用将蓄电池整流滤波的形式，为了方便，可使用汽车、轮船等自身的蓄电池供电。

键盘部分，可以包含复位、系统自检、通信频率的设置等。

图9示出了运用超声波测量风速风向，并利用系统移动式载体速度及方向测定单元对所测参数进行修正的方法原理示意图，该方法运用空间矢量加、减法对系统数据进行修正，从而计算得出实际环境条件下的风速风向参数。下面结合以上所述的移动式超声波风速风向仪，具体以超声波三维风速风向测量单元、系统移动式载体速度及方向测定单元详细阐述本发明提供的运用超声波测量风速风向，并结合系统移动式载体速度及方向测定单元对所测参数进行修正，从而得出实际环境条件下的风速风向参数的方法。

步骤900：分别测出在固定距离上的三对传感器从一端发射超声波信号，另一端接收到超声波信号即图3所示的31、32、33发射超声波信号，34、35、36接收到信号的时间分别为t1、t2、t3；再由34、35、36发射超声波信号，31、32、33接收到信号的时间分别为t4，t5，t6；结合传感器之间的固定距离S，可计算出三个方向上的分矢量分别为V1=1/2（S/t1-S/t4）、V2=1/2（S/t2-S/t5）、V3=1/2（S/t3-S/t6），通过三维空间里的矢量和形式的计算，进而可得出在系统移动情况下的三维风速参数V以及三维风向参数为                                                

。

步骤901：经步骤900测量出的三维风速风向参数，可分解为高度上参数和平面内参数，出于实际应用考虑，可认为平面内风速风向参数为实际条件下的风速风向。超声波三维风速风向测量单元测得的风速风向可解为平面空间里x、y坐标系下相互垂直的分矢量

；系统移动时的速度为c，方向参数为

；则系统速度在平面坐标系下x,y坐标上的分矢量为c _x 、c _y  。从而得出x、y坐标下的实际风速为

，

；进而得出实际环境条件下的风速：

；同理可得出未经修正的风向参数

，进而可计算得出实际环境条件下的风向参数

;

本发明提供的移动式超声波风速风向仪结构简单、精度高、自动化程度高、无可转动部件，克服了传统式风速仪不能应用于移动式情况下进行风速风向测量的缺点，不仅可应用于移动情况下的风速风向测量，也可应用于固定式情况下的风速风向测量，同时克服了传统机械式仪器依靠动作部件进行风速测量以及使用寿命短等缺陷。另外，本发明提供的移动式超声波风速风向仪由于采用了三维空间里的风速风向测量方法以及减少传感器阴影效应的结构设计思想，使得系统对平面内的风速风向的测量精度有了较大的提高；同时，本发明提供的移动式超声波风速风向仪由于采用了低温加热以及结构封闭等措施，使其不仅可在0⁰C以下的低温环境中使用，以及在危险性气体检测、航海、工业风道检测等领域都具有较大的适用性，同时也克服了由于沙尘等天气因素对仪器测量精度的影响；不仅提高了移动式超声波风速风向仪的测量精度，同时也扩大了超声波风速风向仪的应用范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施方法，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.移动式超声波风速风向仪，其特征是：它包括超声波三维风速风向测量单元、移动式系统载体速度测量单元以及移动式系统载体方向测定单元，其中，所述超声波三维风速风向测量单元包括基座、控制电路板、三个等长的长测量臂及三个等长的短测量臂和第一～第六超声波发射/接收传感器，其中，一个长测量臂与一个短测量臂组成一对，六个测量臂分别与基座相连，并且长、短测量臂相互间隔与基座相连，且相连的接点之间依次成60度夹角；六个测量臂远离基座的一端各安装一个超声波发射/接收传感器，相对成180度的两个测量臂上的超声波发射/接收传感器也成180度相对，三个短测量臂上的超声波发射/接收传感器与水平面分别成正45度夹角，三个长测量臂上的超声波发射/接收传感器与水平面分别成负45度夹角，成对的超声波发射/接收传感器之间的距离均相等，所述的控制电路板包括电源、微处理器及附属电路、超声波发射驱动电路及信号接收电路，所述超声波发射驱动电路、信号接收电路分别连接微处理器的控制端及中断端；

所述第一超声波发射/接收传感器与第四超声波发射/接收传感器在同一垂直平面；所述第二超声波发射/接收传感器与第五超声波发射/接收传感器在同一垂直平面；所述第三超声波发射/接收传感器与第六超声波发射/接收传感器在同一垂直平面；

所述第一超声波发射/接收传感器与水平面成正45度夹角、第二超声波发射/接收传感器与水平面成正45度夹角、第三超声波发射/接收传感器与水平面成正45度夹角、第四超声波发射/接收传感器与水平面成负45度夹角、第五超声波发射/接收传感器与水平面成负45度夹角、第六超声波发射/接收传感器与水平面成负45度夹角，且第一超声波发射/接收传感器与第四超声波发射/接收传感器相对、第二超声波发射/接收传感器与第五超声波发射/接收传感器相对、第三超声波发射/接收传感器与第六超声波发射/接收传感器相对，同时，第一超声波发射/接收传感器、第二超声波发射/接收传感器、第三超声波发射/接收传感器、第四超声波发射/接收传感器、第五超声波发射/接收传感器、第六超声波发射/接收传感器与基座分别相连的接点间依次成60度夹角；

所述第一超声波发射/接收传感器和第四超声波发射/接收传感器间的距离、所述第二超声波发射/接收传感器和第五超声波发射/接收传感器间的距离及所述第三超声波发射/接收传感器间的距离相等。

2.根据权利要求1所述的移动式超声波风速风向仪，其特征是：所述移动式系统载体方向测定单元包括一个方向测定部件，并通过RS232接口与微处理器相连接；所述移动式系统载体速度测量单元包括一个速度传感器，并通过导线与控制电路板相连接。

3.根据权利要求1或2所述的移动式超声波风速风向仪，其特征是：还设有温度传感器，该温度传感器与微处理器相连，相应的，在所述控制电路板上还安装有低温加热电路。

4.根据权利要求1或2所述的移动式超声波风速风向仪，其特征是：还包括液晶屏和按键，液晶屏和按键分别与微处理器的输入和输出电路相连。

5.根据权利要求1或2所述的移动式超声波风速风向仪，其特征是：所述控制电路板还设有与上位机通信的接口电路。

6.根据权利要求1或2所述的移动式超声波风速风向仪，其特征是：所述控制电路板安装于所述基座内。

7.一种使用权利要求2所述的移动式超声波风速风向仪测量移动式情况下风速风向的方法，其特征是，该方法包括：

用超声波三维风速风向测量单元中的第一超声波发射/接收传感器和第四超声波发射/接收传感器分别测量接收到来自对方发送的超声波信号的时间；

用第二超声波发射/接收传感器和第五超声波发射/接收传感器分别测量接收到来自对方发送的超声波信号的时间；

用第三超声波发射/接收传感器和第六超声波发射/接收传感器分别测量接收到来自对方发送的超声波信号的时间；

根据测量到的时间、所述第一超声波发射/接收传感器和第四超声波发射/接收传感器间的距离、所述第二超声波发射/接收传感器和第五超声波发射/接收传感器间的距离及所述第三超声波发射/接收传感器和第六超声波发射/接收传感器间的距离计算出移动式情况下的三维风速风向参数，以及平面内的风速风向参数；

用速度传感器测量出系统移动式情况下的速度参数；

用方向测定部件测量出系统移动式情况下的方向参数；

根据速度和方向参数结合平面内的风速风向参数，可计算出在移动式情况下测量到的实际环境条件下的风速风向。

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