CN103592467B - 二维超声波风速仪零点在线自校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维超声波风速仪零点在线自校正装置及方法，该方法根据二维超声波风速仪对当前矢量风向的测量结果，两次转动超声波风速仪的测量通道矢量方向，并两次测量超声波风速仪二维测量通道内的风速值，最终通过判定算法在线校正二维超声波风速仪的零点值，可显著消除零点漂移现象对二维超声波风速仪测量精度的影响。本发明所述的二维超声波风速仪零点在线自校正方法，使用简单，经济成本低，零点校正准确率高，可广泛应用于不同产品档次的二维超声波风速仪内。

Description

二维超声波风速仪零点在线自校正装置及方法

技术领域

本发明属于风速风向测量技术领域，具体涉及一种二维超声波风速仪零点在线自校正的装置及方法。

背景技术

风速和风向是气象学中的重要参数，对航海、气象、军事等领域有重要的作用。超声波风速仪作为一种新型的风速测量仪器，利用超声波脉冲在发射换能器和接收换能器之间的传播时间或频率受风速影响的原理，实现对风速和风向的测量。超声波风速仪可分为二维超声波风速仪和三维超声波风速仪两种。由于二维超声波风速仪不仅拥有测量精度高、测量范围宽等优势，同时还具有使用简便、价格相对低廉等特点，因此，二维超声波风速仪在近年来越来越受到广泛的采用。

二维超声波风速仪在使用过程中，由于受温度、湿度等使用条件的变化，或者受雨雾、尘埃等天气因素的影响，以及受换能器结垢或磨损等因素的影响，其对风速测量的零点值往往会产生漂移。所谓的二维超声波风速仪零点值，是指在周围环境风速为零时，二维超声波风速仪所测量得到的风速值。二维超声波风速仪的零点值是由于发射换能器和接收换能器的参数不对称原因而存在的，在实际使用过程中，应将测量得到的风速值，减去零点值，才能得到真正的当前风速值。当二维超声波风速仪的零点值因产生漂移（即零点的数值发生变化）时，测量得到的风速值减去原有的零点值，所得到的将不再是真实的当前风速值。超声波风速仪的零点漂移，将严重地影响二维超声波风速仪的测量精度，尤其是对小风速测量时，零点漂移的影响尤为严重，甚至将彻底导致二维超声波风速仪无法正常工作。

为避免二维超声波风速仪零点漂移的影响，可以采用对温度、湿度、尘垢等影响因素不敏感的零点高度稳定的高性能换能器，使得二维超声波风速仪在不同环境下都能实现零点的稳定。但是，高性能换能器的价格高昂，将大幅度提高二维超声波风速仪的生产成本。

为避免二维超声波风速仪零点漂移的影响，也可以采用对二维超声波风速仪重新标定的方法。重新标定一般都要求将二维超声波风速仪从工作场合拆卸下来，并将二维超声波风速仪放置于周围环境的空气绝对静止的场合内，重新测量二维超声波风速仪的零点值，进而实现二维超声波风速仪的零点校准。这种零点校准方法的缺点十分明显：首先这种零点校准方法需要将二维超声波风速仪从工作场合拆卸下来，将影响到超声波风速仪的的正常工作；其次这种零点校准方法需要在周围环境的空气绝对静止的特殊测试场合下，才能完成校准。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维超声波风速仪零点在线自校正的装置；

本发明的另一目的是提供一种利用该装置进行二维超声波风速仪零点在线自校正的方法，根据二维超声波风速仪对当前矢量风向的测量结果，两次转动超声波风速仪的测量通道矢量方向，并两次测量超声波风速仪二维测量通道内的风速值，最终通过判定算法在线校正二维超声波风速仪的零点值，该方法可显著消除零点漂移现象对二维超声波风速仪测量精度的影响。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种二维超声波风速仪零点在线自校正的装置，其特征在于，包括两根长度相等且互相垂直的第一刚性支架（1C）和第二刚性支架（2C），所述第一刚性支架（1C）和第二刚性支架（2C）在中点用焊接或铰接方式固定连接构成一个刚性平面；还包括步进电机（3），所述步进电机（3）的转轴垂直连接于第一刚性支架（1C）和第二刚性支架（2C）的中点连接处；所述第一刚性支架（1C）两端安装有第一发射换能器（1A）和第一接收换能器（1B），所述第二刚性支架（2C）两端安装有第二发射换能器（2A）和第二接收换能器（2B）。

作为补充优化，还包括用于连接控制步进电机（3）、第一发射换能器（1A）、第一接收换能器（1B）、第二发射换能器（2A）和第二接收换能器（2B）工作的控制器（4），所述控制器（4）包括数据分析模块和数据存储模块。

一种利用如上所述装置进行二维超声波风速仪零点在线自校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，设定第一发射换能器（1A）、第一刚性支架（1C）和第一接收换能器（1B）为第一维测量通道，设定第二发射换能器（2A）、第二刚性支架（2C）和第二接收换能器（2B）为第二维测量通道；分别测量并得到第一维测量通道和第二维测量通道内的风速值V₀₁与V₀₂，并将V₀₁与V₀₂通过矢量相加的方式，计算得到当前周围环境的风速值V₀和风向，以及当前风向的矢量值；

步骤二，根据对当前矢量风向的测量结果，通过步进电机第一次转动第一刚性支架（1C）和第二刚性支架（2C），调整第一维测量通道和第二维测量通道中的某一维测量通道的矢量方向调整至与当前风向的矢量方向相平行，从而第一次分别测量并储存与当前风向矢量方向相垂直的测量通道的风速值V₁₁、与当前风向矢量方向相平行的测量通道内的风速值V₁₂；通过第二次转动，将与当前风向矢量方向相垂直的测量通道调整至矢量方向与当前风向的矢量方向平行，从而第二次测量并储存与当前风向矢量方向相垂直的测量通道的风速值V₂₁、与当前风向矢量方向相平行的测量通道内的风速值V₂₂；通过第三次转动，使得超声波风速仪的第一维测量通道和第二维测量通道回复到最初的矢量方向；

步骤三，控制器（4）将风速值V₁₂、风速值V₂₂分别与当前风速值V₀做比较，如果风速值V₁₂、风速值V₂₂分别与当前风速值V₀的差异率均不大于3%，则将风速值V₁₁和风速值V₂₁分别作为其对应测量通道的零点值，更新并存储在控制器（4）内；否则，重复步骤一和步骤二，直至风速值V₁₂、风速值V₂₂分别与当前风速V₀的差异率均不大于3%为止。

发明优点：

（1）本发明所述的零点在线自校正方法，无需将二维超声波风速仪从工作环境中拆卸下来，并且对二维超声波风速仪的正常工作干扰极低。

（2）本发明所述的零点在线自校正方法，以判定算法为依据，可确保所校正的零点的准确性。

（3）本发明所述的零点在线自校正方法，使用简单，使用经济成本低。

附图说明

图1是本发明超声波风速仪零点在线自校正装置的结构示意图；

图2是二维超声波风速仪对当前风速和风向的测量说明图；

图3是本发明所述在线自校正方法的第一次测量说明图；

图4是本发明所述在线自校正方法的第二次测量说明图；

图5是本发明所述在线自校正方法的工作流程图；

图中：1A、第一发射换能器，1B、第一接收换能器，1C、第一刚性支架，2A、第二发射换能器，2B、第二接收换能器，2C、第二刚性支架，3、步进电机，4、控制器。

具体实施方式

以下结合附图及一优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例：

如图1所示：本实施例所揭示的一种二维超声波风速仪零点在线自校正的装置，包括两根长度相等且互相垂直的第一刚性支架1C和第二刚性支架2C，所述第一刚性支架1C和第二刚性支架2C在中点用焊接或铰接方式固定连接构成一个刚性平面；还包括步进电机3，所述步进电机3的转轴垂直连接于第一刚性支架1C和第二刚性支架2C的中点连接处；所述第一刚性支架1C两端安装有第一发射换能器1A和第一接收换能器1B，所述第二刚性支架2C两端安装有第二发射换能器2A和第二接收换能器2B。

步进电机3的转轴垂直于上述刚性平面，且步进电机3的转轴固定在第一刚性支架1C和第二刚性支架2C的中心交接点处。这样，当步进电机3的转轴转动时，由第一刚性支架1C和第二刚性支架2C构成的刚性平面也将整体转动，且转动的角度值与步进电机3转轴的转动角度值相等。

作为补充优化，还包括用于连接控制步进电机3、第一发射换能器1A、第一接收换能器1B、第二发射换能器2A和第二接收换能器2B工作的控制器（4），所述控制器4包括数据分析模块和数据存储模块。

一种利用上述装置二维超声波风速仪零点在线自校正方法，包括以下步骤：

步骤一：如图2所示，二维超声波风速仪内每一维测量通道分别测量并得到各自测量通道内的风速V₀₁与V₀₂，并将V₀₁与V₀₂通过矢量相加的方式，计算得到当前周围环境的风速V₀和风向，以及当前风向的矢量值，并进而计算得到当前风向与第一刚性支架1C、第二刚性支架2C之间的的两个夹角a和b。计算得到的当前风速值V₀、当前风向矢量值、两个夹角值a和b均储存在控制器4内。

步骤二：如图3所示，根据二维超声波风速仪对当前矢量风向的测量结果，控制器4向步进电机3发送与夹角a值成正比例的脉冲个数，控制步进电机3转轴第一次转动，并带动第一刚性支架1C和第二刚性支架2C整体转动，转动角度值与夹角a值相同。第一次转动完毕之后，风速仪第一次测量，得到与当前风向平行的测量通道内的风速V₁₂和与当前风向垂直的测量通道的风速V₁₁。

如图4所示，第一次测量完毕之后，控制器4向步进电机3发送与90度成正比例的脉冲个数，控制步进电机3转轴第二次转动，并带动第一刚性支架1C和二刚性支架2C整体转动，转动角度值为90度。第二次转动完毕之后，风速仪第二次测量，得到与当前风向平行的测量通道内的风速V₂₂和与当前风向垂直的测量通道的风速V₂₁。第二次测量完毕之后，控制器4向步进电机3发送与夹角b值成正比例的脉冲个数，控制步进电机3转轴第三次转动，并带动第一刚性支架1C和第二刚性支架2C整体转动，转动角度值与夹角b值相同，使一刚性支架1C、第二刚性支架2C恢复原位。

步骤三：如图5所示，控制器4将风速V₁₂、风速V₂₂分别与当前风速V₀做比较，如果风速V₁₂、风速V₂₂分别与当前风速V₀的差异率均不大于3%，则说明上述第一次测量和第二次测量时，周围环境的当前风速和风向均未发生明显变化，此时，垂直于当前风向的矢量方向内风速可以被认为是零，因此，该方向的测量通道内所测量得到的风速值V₁₁和风速值V₂₁，就是该测量通道的零点值。如果风速V₁₂与当前风速V₀的差异率，以及风速V₂₂与当前风速V₀的差异率之中，有一个或两个差异率的值超过了3%，则说明第一次测量或第二次测量时，周围环境的当前风速和风向已经发生了明显的变化，此时，垂直于当前风向的矢量方向内，风速不能被认为是零，因此此时也不可以坐零点的校正。此时需重复上述步骤一和步骤二，直至风速值V₁₂、风速值V₂₂分别与当前风速V₀的差异率均不大于3%为止，从而确定零点值。

上述二维超声波风速仪零点自校正的判定算法，为零点自校正提供了判定依据，确保了零点校正时机选择的准确性，以及所校正的二维超声波风速仪零点值的准确性。

需要指出的是，以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图据以对本发明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。

Claims (3)

1.一种二维超声波风速仪零点在线自校正的装置，其特征在于，包括两根长度相等且互相垂直的第一刚性支架(1C)和第二刚性支架(2C)，所述第一刚性支架(1C)和第二刚性支架(2C)在中点用焊接或铰接方式固定连接构成一个刚性平面；还包括步进电机(3)，所述步进电机(3)的转轴垂直连接于第一刚性支架(1C)和第二刚性支架(2C)的中点连接处；所述第一刚性支架(1C)两端分别安装有第一发射换能器(1A)和第一接收换能器(1B)，所述第二刚性支架(2C)两端分别安装有第二发射换能器(2A)和第二接收换能器(2B)。

2.根据权利要求1所述的二维超声波风速仪零点在线自校正的装置，其特征在于，还包括用于连接控制步进电机(3)、第一发射换能器(1A)、第一接收换能器(1B)、第二发射换能器(2A)和第二接收换能器(2B)工作的控制器(4)，所述控制器(4)包括数据分析模块和数据存储模块。

3.一种利用如权利要求1～2任一项所述装置进行二维超声波风速仪零点在线自校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，设定第一发射换能器(1A)、第一刚性支架(1C)和第一接收换能器(1B)为第一维测量通道，设定第二发射换能器(2A)、第二刚性支架(2C)和第二接收换能器(2B)为第二维测量通道；分别测量并得到第一维测量通道和第二维测量通道内的风速值V₀₁与V₀₂，并将V₀₁与V₀₂通过矢量相加的方式，计算得到当前周围环境的风速值V₀和风向，以及当前风向的矢量值；

步骤二，根据对当前风向的矢量值的测量结果，通过步进电机第一次转动第一刚性支架(1C)和第二刚性支架(2C)，将第一维测量通道和第二维测量通道中的某一维测量通道的矢量方向调整至与当前风向的矢量方向相平行，从而第一次分别测量并储存与当前风向矢量方向相垂直的测量通道的风速值V₁₁、与当前风向矢量方向相平行的测量通道内的风速值V₁₂；通过第二次转动，将与当前风向矢量方向相垂直的测量通道调整至矢量方向与当前风向的矢量方向平行，从而第二次测量并储存与当前风向矢量方向相垂直的测量通道的风速值V₂₁、与当前风向矢量方向相平行的测量通道内的风速值V₂₂；通过第三次转动，使得超声波风速仪的第一维测量通道和第二维测量通道回复到最初的矢量方向；

步骤三，控制器(4)将风速值V₁₂、风速值V₂₂分别与当前风速值V₀做比较，如果风速值V₁₂、风速值V₂₂分别与当前风速值V₀的差异率均不大于3％，则将风速值V₁₁和风速值V₂₁分别作为其对应测量通道的零点值，更新并存储在控制器(4)内；否则，重复步骤一和步骤二，直至风速值V₁₂、风速值V₂₂分别与当前风速V₀的差异率均不大于3％为止。