CN103995146B - 超声波测风装置与方法 - Google Patents

超声波测风装置与方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103995146B
CN103995146B CN201410178762.0A CN201410178762A CN103995146B CN 103995146 B CN103995146 B CN 103995146B CN 201410178762 A CN201410178762 A CN 201410178762A CN 103995146 B CN103995146 B CN 103995146B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultrasonic transducer
ultrasonic
waveform
module
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410178762.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103995146A (zh
Inventor
王晓敬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Ai Xinde Science And Technology Ltd
Original Assignee
Beijing Ai Xinde Science And Technology Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Ai Xinde Science And Technology Ltd filed Critical Beijing Ai Xinde Science And Technology Ltd
Priority to CN201410178762.0A priority Critical patent/CN103995146B/zh
Publication of CN103995146A publication Critical patent/CN103995146A/zh
Priority to DE202015009276.4U priority patent/DE202015009276U1/de
Priority to US15/323,568 priority patent/US20170269117A1/en
Priority to PCT/IB2015/053114 priority patent/WO2015166428A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103995146B publication Critical patent/CN103995146B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/04—Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement
    • G01P13/045—Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement with speed indication

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

本发明公开的超声波测风装置与方法，用于利用超声波传输特性测量环境中的风速与风向。该超声波测风装置包括：超声波换能器组，用于在容纳超声波换能器组的测风腔体中形成超声波共振；发射模块，用于驱动超声波换能器组中的任一超声波换能器发射超声波形；收发转换模块，用于根据预设控制指令对超声波换能器组进行链路切换；接收模块，用于接收超声波形；采集模块，用于获取超声波形的发射与接收的原始数据；FPGA处理芯片，并对原始数据进行处理，得到时间数据；处理器控制模块，并根据时间数据进行计算以获取当前的风速和风向。本发明采用超声传输距离短，保证了测量准确度，且装置体积小，便于装置的安装。

Description

超声波测风装置与方法
技术领域
本发明涉及超声传感技术领域，更具体的，涉及一种超声波测风装置与方法。
背景技术
随着技术的发展，传统的机械式(三角风杯、风向标)测风仪存在着测量不够准确，易产生机械磨损、风沙附着等问题而造成测量误差。因此利用超声波等传感技术进行测量风速、风向的装置相继而生。但目前超声测量风速风向设备一般利用四只超声换能器进行测量，存在设备体积大，易产生干扰等问题。
因此，现有技术中存在测量设备体积大、测量准确度低及外界环境适应能力差的问题。
发明内容
本发明公开一种超声波测风装置与方法，用于解决现有技术中存在的测量设备体积大、测量准确度低及外界环境适应能力差的问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种超声波测风装置，并采用如下技术方案：
超声波测风装置包括：
超声波换能器组，包括：第一超声波换能器、第二超声波波换能器以及第三超声波换能器，用于在容纳所述超声波换能器组的测风腔体中形成超声波共振；发射模块，用于驱动所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射超声波形；收发转换模块，用于根据预设控制指令对所述超声波换能器组进行链路切换，使得处于发射状态的超声波换能器与所述发射模块连通，使得处于接收状态的超声波换能器与接收模块连通；所述接收模块，用于接收所述超声波形；采集模块，用于获取所述超声波形的发射与接收的原始数据；FPGA处理芯片，用于产生第一次驱动信号，所述第一次驱动信号用于驱动所述发射模块产生所述超声波形，并对所述原始数据进行处理，得到时间数据；处理器控制模块，用于获取初始化参数，并根据所述时间数据进行计算以获取当前的风速和风向。
进一步地，所述预设控制指令包括：在链路切换计时达到预设切换计时参数值时，关闭所述发射模块与所述第一超声波换能器的链接，开启所述发射模块与所述第二超声波换能器的链接，关闭所述接收模块与所述第二超声换能器的链接，开启所述接收模块与所述第一超声换能器的链接；在完成所述第一超声换能器到所述第二超声换能器的波形传输，以及所述第二超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第一超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第一超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换；在完成所述第一超声换能器到所述第三超声换能器的波形传输，以及所述第三超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第二超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第二超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换。
进一步地，所述的超声波测风装置还包括：自适应加热模块，用于根据测量当前环境的温度与预设温度参数进行对比，得一对比结果，并根据所述对比结果调整对应加热装置的加热功率。
进一步地，所述的超声波测风装置还包括：加密模块，用于对所述超声波测风装置进行初始化认证，并在通过所述初始化认证时，控制所述处理器控制模块进行初始化参数的读取。
进一步地，所述处理器控制模块还用于：根据预设环境补偿参数与所述测风腔体中两平面之间的距离计算出共振频率；比较所述共振频率与当前所述超声波形频率，并得一判断结果；在所述判断结果为所述共振频率与所述超声波形频率的差值大于预设阈值时，判断所述共振频率是否在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内，并在所述共振频率在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内时，调整所述超声波换能器组的发射频率，使得所述超声波形在所述测风腔体内形成共振。
根据本发明的另外一个方面，提供一种超声波测风方法，并公开了如下技术方案：
超声波测风方法，涉及超声波换能器组，所述超声波换能器组包括第一超声波换能器、第二超声波换能器以及第三超声波换能器，所述超声波测风方法包括：通过触发使得所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射预设超声波形；控制所述预设超声波形在容纳所述超声波换能器组的测风腔体中形成共振，使得在所述超声波换能器组中的任意两只超声波换能器在同一时间段内分别处以发射状态与接收状态；获取所述任意两只超声波换能器之间波形的第一方向传输时间与第二方向传输时间；根据所述第一方向传输时间与所述第二方向传输时间计算当前的风速与风向。
进一步地，所述通过触发使得所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射预设超声波形包括：根据预设参数控制FPGA处理芯片生成一预设频率；根据所述预设频率及所述预设参数中的波形个数控制发射模块发射所述预设超声波形。
进一步地，所述控制所述预设超声波形在容纳所述超声波换能器组的测风腔体中形成共振包括：用于根据预设控制规则对超声波换能器组中的超声波换能器进行链路切换，使得处于所述发射状态的超声波换能器与所述发射模块连通，使得处于所述接收状态的超声波换能器与接收模块连通。
进一步地，所述预设控制规则包括：在链路切换计时达到预设切换计时参数值时，关闭所述发射模块与所述第一超声波换能器的链接，开启所述发射模块与所述第二超声波换能器的链接，关闭所述接收模块与所述第二超声换能器的链接，开启所述接收模块与所述第一超声换能器的链接；在完成所述第一超声换能器到所述第二超声换能器的波形传输，以及所述第二超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第一超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第一超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换；在完成所述第一超声换能器到所述第三超声换能器的波形传输，以及所述第三超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第二超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第二超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换。
进一步地，在所述根据所述第一方向传输时间与所述第二方向传输时间计算当前的风速与风向之后，所述超声波测风方法还包括：根据预设环境补偿参数与所述测风腔体中两平面之间的距离计算出共振频率；比较所述共振频率与当前所述超声波形频率，并得一判断结果；在所述判断结果为所述共振频率与所述超声波形频率的差值大于预设阈值时，判断所述共振频率是否在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内，并在所述共振频率在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内时，调整所述超声波换能器组的发射频率，使得所述超声波形在所述测风腔体内形成共振。
本发明采用超声波传输特性，利用其反射原理，使其在一个测风腔体里产生共振，提供超声换能器发射功率。同时，采用自适应算法使其根据环境变化而自适应调整共振频率使其可以工作在共振状态下。因此，本发明可以使装置适应不同的外界环境。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1表示本发明实施例一所述的超声波测风装置的结构示意图；
图2表示本发明实施一所述的自适应加热模块的工作流程图；
图3表示本发明实施例二所述的超声波测风方法的流程图；
图4表示本发明实施例三所述的超声波测风方法中自适应共振流程图；
图5表示本发明实施例四所述的超声波测风方法中发射频率自适应调整的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
图1表示本发明实施例一所述的超声波测风装置的结构示意图。
参见图1所示，超声波测风装置包括：超声波换能器组10，超声波换能器组10包括：第一超声波换能器，即换能器A、第二超声波波换能器，即换能器B，以及第三超声波换能器，即换能器C，超声波换能器组10用于在容纳所述超声波换能器组的测风腔体(图中未示)中形成超声波共振；发射模块14，用于驱动所述超声波换能器组10中的任一超声波换能器发射超声波形并收发转换模块12，具体包括转换模块A，转换模块B,及转换模块C，收发转换模块12用于根据预设控制指令对所述超声波换能器组10进行链路切换，使得处于发射状态的超声波换能器与所述发射模块14连通，使得处于接收状态的超声波换能器与接收模块16连通；所述接收模块16，用于接收所述超声波形；采集模块26，用于获取所述超声波形的发射与接收的原始数据；FPGA处理芯片18，用于产生第一次驱动信号，所述第一次驱动信号用于驱动所述发射模块14产生所述超声波形，并对所述原始数据进行处理，得到时间数据；处理器控制模块20，用于获取初始化参数，并根据所述时间数据进行计算以获取当前的风速和风向。
更具体的，本发明超声波传感器通过正、逆压电效应实现高频声能和电能之间的相互转换，从而实现超声波的发射和接收。设风速在二维坐标系的2个坐标上的投影分量分别为vx，vy，超声波在静止空气中传播的速度为c，超声波从坐标原点发射到达某一等位面(x，y，z)所需的时间为t，则有
( x - V x t ) 2 + ( y - V y ) 2 = c 2 t 2 - - - ( 1 )
设在坐标点A点(0，0)和x轴上距A点为d的B点(d，0)各置一个收发一体式超声波传感器，A点发射的声波被B点接收，之后，B点发射的声波被A点接收，同时，设从A点到B点为顺风风向。则超声波从A点发射到达B点的时间为
t 1 = d [ ( c 2 - v y 2 ) 1 / 2 - v x ] c 2 - v 2 - - - ( 2 )
同理从B点到达A点的时间为
t 2 = d [ ( c 2 - v y 2 ) 1 / 2 + v x ] c 2 - v 2 - - - ( 3 )
由t1和t2表达式可以得到
v x = d 2 ( 1 t 1 - 1 t 2 ) = d ( t 2 - t 1 ) 2 t 1 t 2 = dΔt 2 t 1 t 2 - - - ( 4 )
由式(4)可看出：只要测出顺风、逆风传播时间t1，t2和传输时间差Δt即可测出风速沿x轴向的分量vx。同理，沿直角坐标系y轴的投影分量vy。在直角坐标系下最终获得的自然风风速v和风向角θ为
v = ( v x 2 + v y 2 ) 1 / 2 - - - ( 5 )
θ = tan - 1 ( v x / v y ) - - - ( 6 )
计算式(4)中不含声速c，避免了温度对系统测量精度的影响。但同时对时间测量提出了更高的要求，特别是Δt的取值：在风速测量精度为0.15m/s的所设计要求下，t1和t2的精度要求为3.09us。而t的测量精度要求则达0.55us。所以，提高时间测量精度是系统实关键。为此，本系统采用处理时钟为100MHz的FPGA芯片，可以控制收发模块时间误差在10ns，同时在FPGA处理芯片18中对接收波形进行修正、补偿，避免外界干扰造成波形的失真，提高测量精度。
综上，本发明采用超声波传输特性，利用其反射原理，使其在一个测风腔体里产生共振，提供超声换能器发射功率。同时，采用自适应算法使其根据环境变化而自适应调整共振频率使其可以工作在共振状态下。因此，本发明可以使装置适应不同的外界环境。
优选地，所述预设控制指令包括：在链路切换计时达到预设切换计时参数值时，关闭所述发射模块14与所述换能器A的链接，开启所述发射模块14与所述换能器B的链接，关闭所述接收模块16与所述换能器B的链接，开启所述接收模块16与所述换能器A的链接；在完成所述换能器A到所述换能器B的波形传输，以及所述换能器B到所述换能器A的波形传输后，控制执行所述换能器A与换能器C进行波形传输，并控制所述换能器A与换能器C在所述接收模块16与所述发射模块14之间进行链路切换；在完成所述换能器A到所述换能器C的波形传输，以及所述换能器C到所述换能器A的波形传输后，控制执行所述换能器B与换能器C进行波形传输，并控制所述换能器B与换能器C在所述接收模块16与所述发射模块14之间进行链路切换。
优选地，所述处理器控制模块20还用于：根据预设环境补偿参数与所述测风腔体中两平面之间的距离计算出共振频率；比较所述共振频率与当前所述超声波形频率，并得一判断结果；在所述判断结果为所述共振频率与所述超声波形频率的差值大于预设阈值时，判断所述共振频率是否在所述超声波换能器组10的最大工作频率范围内，并在所述共振频率在所述超声波换能器组10的最大工作频率范围内时，调整所述超声波换能器组10的发射频率，使得所述超声波形在所述测风腔体内形成共振。
更具体的，所述处理器控制模块20，负责开启启动时与加密模块22进行校验，如校验无误，开始读取加密模块22中的装置参数，初始化处理器控制参数，并把部分参数发送给FPGA处理芯片18，进行FPGA处理芯片18参数的初始化。同时负责对FPGA处理芯片18处理完的数据进行计算，得出风速、风向值及风的温度。
处理器控制模块20还负责根据计算出的温度值进行加热功率控制运算，并根据运算结果对加热模块24的加热功率进行控制。
处理器控制模块20还负责与上位机、加密模块22及FPGA处理芯片18的通讯，以及上位机的命令处理。
FPGA处理芯片18，负责控制超声换能器的发射频率的产生，控制发射时间间隔，控制接收模块16采集开启时间，完成换能器收发控制。同时对收发转换模块12进行收发转换进行实时控制，保证三只换能器每个时间段只有一只发射一只接收。
FPGA处理芯片18还需要对采集到的数据进行处理，同时开启计时功能，记录超声波传输时间，利用算法进行补偿及校准，使采集到的数据更加准确，大大提高装置的测量准确度，并通过通讯口把测量数据传输给处理器控制模块。
加热模块24，即自适应加热模块，负责根据测量的环境温度进行加热功率控制计算，并根据计算结果调整加热功率，保证装置的温度接近恒定，使装置可以工作在严寒地区。
图2表示本发明实施一所述的自适应加热模块的工作流程图。
参见图2所示，自适应加热模块具体工作流程如下：
步骤60：开机初始化完成。
步骤61：根据参数设定开机时默认加热功率。
当装置初始化完成后，MCU处理器会根据RAM中设定的功率预设值默认进行加热(一般默认加热功率为0)，直至MCU处理器收到FPGA处理器一次完整的数据采集后的数据，并根据“本发明所使用的超声测风基本原理”的计算公式计算出风速、风向值，然后根据不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系如下：
v＝331.45+0.607T(1)
式中，T为实际温度(℃)，v为当前环境下声速，单位为m/s。
由公式(1)及MCU计算出的风速、风向值以及RAM中的参数可以计算出当时的风速条件下的风的温度值。
步骤62：判断是否设置加热功能，若否执行步骤63。
步骤63：关闭加热功能。
MCU处理器根据RAM中预设的加热功能设置判断是否开启了加热功能，如果没有开启此功能将调整加热功率控制使其加热功率为0。如果开启加热功能，则进行步骤64。
步骤64：根据计算出的温度值判断是否启动加热，若是，执行步骤65。
步骤65：计算需要进行加热的功率值。
MCU处理器根据第一步中计算出的风的温度值与RAM中预设的启动加热功率的温度值进行比较，判断是否需要调整加热功率。如不需要调整加热功率则等待下一次计算，如需要调整加热功率，则进入步骤66。
步骤66：根据计算结果进行加热功率控制。
MCU处理器根据把第一步得出的温度值代入到预先设置的算法中进行计算，根据计算出的结果来决定需要调整的功率值。MCU处理器把计算后的功率值通过控制加热功率输出进行调整。
加密模块22，负责装置的初始化认证，如认证失败，使装置整个系统异常，如认证通过则允许MCU处理器进行初始化参数的读取，有效的保护了装置内的数据不被窃取。同时加密模块22中还保存装置的初始化参数，生产时可以单独将参数配置在加密芯片中，便于生产。
实施例二
图3表示本发明实施例二所述的超声波测风方法的流程图。
参见图3所示，超声波测风方法，涉及超声波换能器组，所述超声波换能器组包括第一超声波换能器、第二超声波换能器以及第三超声波换能器，所述超声波测风方法包括：
S1：通过触发使得所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射预设超声波形；
S2：控制所述预设超声波形在容纳所述超声波换能器组的测风腔体中形成共振，使得在所述超声波换能器组中的任意两只超声波换能器在同一时间段内分别处以发射状态与接收状态；
S3：获取所述任意两只超声波换能器之间波形的第一方向传输时间与第二方向传输时间；
S4：根据所述第一方向传输时间与所述第二方向传输时间计算当前的风速与风向。
在本实施例的上述技术方案中，步骤S1中通过触发使得所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射预设超声波形，在本实施例中，通过触发是指，超声波换能器的第一个超声波是通过外部激发产生的。例如，由FPGA处理芯片生成一预设频率，即在步骤S2中，根据该预设频率，控制发射模块激发其中一个超声波换能器发射该预设频率的超声波形，另外一个超声波换能器接收该超声波形后，反射该超声波形，以此循环，形成共振。步骤S3是获取超声波形传播的时间数据，即一个超声波形从A传到B，又从B传到A所需的时间，重点记录A发射的时间，B接收的时间，以及B发射的时间，A接收的时间，以此获取一个超声波形传输所需要的时间，在步骤S4中，根据所述第一方向传输时间与所述第二方向传输时间计算当前的风速与风向，此处的第一方向传输时间可以看做顺风传播时间，第二方向传输时间可以看做逆风传播时间，通过获取顺风传播时间及逆风传播时间，和两者的差值，即可测出此时的风速和风向，具体计算过程如实施例一，此处不做阐述。
优选地，所述通过触发使得所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射预设超声波形包括：根据预设参数控制FPGA处理芯片生成一预设频率；根据所述预设频率及所述预设参数中的波形个数控制发射模块发射所述预设超声波形。
优选地，所述控制所述预设超声波形在容纳所述超声波换能器组的测风腔体中形成共振包括：用于根据预设控制规则对超声波换能器组中的超声波换能器进行链路切换，使得处于所述发射状态的超声波换能器与所述发射模块连通，使得处于所述接收状态的超声波换能器与接收模块连通。
优选地，所述预设控制规则包括：在链路切换计时达到预设切换计时参数值时，关闭所述发射模块与所述第一超声波换能器的链接，开启所述发射模块与所述第二超声波换能器的链接，关闭所述接收模块与所述第二超声换能器的链接，开启所述接收模块与所述第一超声换能器的链接；在完成所述第一超声换能器到所述第二超声换能器的波形传输，以及所述第二超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第一超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第一超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换；在完成所述第一超声换能器到所述第三超声换能器的波形传输，以及所述第三超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第二超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第二超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换。
上述技术方案为控制FPGA处理芯片为实现超声波共振的优选实施方式，更具体的流程如下：
参见图4所示，本发明装置的收发控制流程是FPGA处理器根据指定参数进行控制收发控制模块，使三只换能器可以两两组合成一对，一只发射一只接收的组合。当完成开机初始化流程后，MCU处理器及FPGAC处理器初始化都已完成，相关参数也已经设置成功。此时，FPGA开始正常的工作，具体步骤如下：
步骤30：MCU/FPGA初始化。
步骤31：FPGA处理器根据初始化的参数中频率相关参数f进行频率生成，同时控制收发转换模块使发射链路连通换能器A，接收链路连通换能器B，并且开始收发切换模块切换计时；
步骤32：FPGA处理器根据初始化的参数中发射波形个数m，发射m个波形；
步骤33：FPGA处理器根据延时参数从发射开始计时延时t后，开启接收计时单元开始计时及波形到达时间计时。同时，对接收到的信号进行整形、补偿。
步骤34：当接收计时达到初始化参数中的设定值时计时值时，停止接收，开始寻找波形到达时刻，并记录达到时间。
步骤35：当收发切换模块切换计时达到初始化切换计时参数值时，关闭发射模块与A的链接，开启发射模块与B的链接，关闭接收模块与B的链接，开启接收模块与A的链接，重复第二步至第四步，至此，FPGA处理器完成换能器A到B、B到A的收发切换，并得到A到B、B到A的波形传输时间。
当完成A到B、B到A的收发后，FPGA处理器控制收发切换模块切换换能器A、C的连通链路，使发射模块链路连通换能器A，接收模块链路连通换能器B，重复第二步至第四步，得到A到C的波形传输时间。
当收发切换模块切换计时达到初始化切换计时参数值时，关闭发射模块与A的链接，开启发射模块与C的链接，关闭接收模块与C的链接，开启接收模块与A的链接，重复第二步至第四步，C到A的收发切换，并得到C到A的波形传输时间。
同理原理，可以得到B到C、C到B的波形传输时间。
重复上述步骤，使其形成不断轮换的周期。
优选地，在所述根据所述第一方向传输时间与所述第二方向传输时间计算当前的风速与风向之后，所述超声波测风方法还包括：根据预设环境补偿参数与所述测风腔体中两平面之间的距离计算出共振频率；比较所述共振频率与当前所述超声波形频率，并得一判断结果；在所述判断结果为所述共振频率与所述超声波形频率的差值大于预设阈值时，判断所述共振频率是否在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内，并在所述共振频率在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内时，调整所述超声波换能器组的发射频率，使得所述超声波形在所述测风腔体内形成共振。
上述技术方案为发射频率自适应调整的优选方案，该方案具体实施可参见如下步骤：
图5表示本发明实施例四所述的超声波测风方法中发射频率自适应调整的流程图。
参见图5所示，发射频率自适应调整的流程图如下：
步骤40：初始化完成。
步骤41：根据FPGA返回数据进行计算，得出当前频率在共振腔传输一个来回所需时间。
MCU处理器会不断接收到FPGA处理器发送的数据，MCU判断FPGA发送的数据为完整的一次收发转换后，MCU会根据这些数据按照“本发明所使用的超声测风基本原理”的计算公式可以计算出当前频率在共振腔传输一个来回所需时间、风速、风向。
步骤42：根据当前环境条件补偿参数与两平行面的真实距离计算如果产生共振所需频率是否与当前频率一致。
MCU处理器根据当前环境条件补偿参数与两平行面的真实距离可以计算出如果产生共振所需频率，比较计算结果的共振频率是否与当前频率一致。如果一致则不需要重新校准共振频率，如不一致则进行如下步骤43。
步骤43：根据当前环境条件补偿参数与两平行面的真实距离计算，如果产生共振所需频率。
步骤44：根据预置偏置频率阀值判断，是否需要调整的频率偏差大于阀值，若否，执行步骤45。若是，执行步骤46。
MCU处理器根据RAM中存储的预置偏置频率阀值参数来判断，共振频率与当前频率差值是否超出偏置频率阀值，如等于或低于偏置频率阀值，装置不需要进行共振频率调整，如大于偏置频率阀值，则进行步骤48。
步骤45:若否，不进行频率调整。
步骤46：判断需要调整到的频率是否大于换能器工作频率范围。
步骤47：若否，调整可以产生共振的频率。
MCU处理器判断计算得出的共振频率是否在换能器的工作频率范围内，如不在换能器工作频率范围内，调整频率到换能器最大工作频率范围值。如在换能器工作频率范围内，调整换能器的发射频率使其可以在当前条件下产生共振。
步骤48：若是，调整频率到换能器的最大工作频率范围。
本发明采用超声波传输特性，利用其反射原理，使其在一个测风腔体里产生共振，提供超声换能器发射功率。同时，采用自适应算法使其根据环境变化而自适应调整共振频率使其可以工作在共振状态下。因此，本发明可以使装置适应不同的外界环境。

Claims (8)

1.一种超声波测风装置，其特征在于，包括：
超声波换能器组，包括：第一超声波换能器、第二超声波波换能器以及第三超声波换能器，用于在容纳所述超声波换能器组的测风腔体中形成超声波共振；发射模块，用于驱动所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射超声波形；
收发转换模块，用于根据预设控制指令对所述超声波换能器组进行链路切换，使得处于发射状态的超声波换能器与所述发射模块连通，使得处于接收状态的超声波换能器与接收模块连通；所述接收模块，用于接收所述超声波形；采集模块，用于获取所述超声波形的发射与接收的原始数据；
FPGA处理芯片，用于产生第一次驱动信号，所述第一次驱动信号用于驱动所述发射模块产生所述超声波形，并对所述原始数据进行处理，得到时间数据；
处理器控制模块，用于获取初始化参数，并根据所述时间数据进行计算以获取当前的风速和风向；所述处理器控制模块还用于：根据预设环境补偿参数与所述测风腔体中两平面之间的距离计算出共振频率；比较所述共振频率与当前所述超声波形频率，并得一判断结果；在所述判断结果为所述共振频率与所述超声波形频率的差值大于预设阈值时，判断所述共振频率是否在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内，并在所述共振频率在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内时，调整所述超声波换能器组的发射频率，使得所述超声波形在所述测风腔体内形成共振。
2.如权利要求1所述的超声波测风装置，其特征在于，所述预设控制指令包括：
在链路切换计时达到预设切换计时参数值时，关闭所述发射模块与所述第一超声波换能器的链接，开启所述发射模块与所述第二超声波换能器的链接，关闭所述接收模块与所述第二超声换能器的链接，开启所述接收模块与所述第一超声换能器的链接；
在完成所述第一超声换能器到所述第二超声换能器的波形传输，以及所述第二超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第一超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第一超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换；
在完成所述第一超声换能器到所述第三超声换能器的波形传输，以及所述第三超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第二超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第二超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换。
3.如权利要求1所述的超声波测风装置，其特征在于，还包括：
自适应加热模块，用于根据测量当前环境的温度与预设温度参数进行对比，得一对比结果，并根据所述对比结果调整对应加热装置的加热功率。
4.如权利要求1所述的超声波测风装置，其特征在于，还包括：
加密模块，用于对所述超声波测风装置进行初始化认证，并在通过所述初始化认证时，控制所述处理器控制模块进行初始化参数的读取。
5.一种超声波测风方法，涉及超声波换能器组，所述超声波换能器组包括第一超声波换能器、第二超声波换能器以及第三超声波换能器，其特征在于，所述超声波测风方法包括：通过触发使得所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射预设超声波形；控制所述预设超声波形在容纳所述超声波换能器组的测风腔体中形成共振，使得在所述超声波换能器组中的任意两只超声波换能器在同一时间段内分别处以发射状态与接收状态；获取所述任意两只超声波换能器之间波形的第一方向传输时间与第二方向传输时间；根据所述第一方向传输时间与所述第二方向传输时间计算当前的风速与风向；
在所述根据所述第一方向传输时间与所述第二方向传输时间计算当前的风速与风向之后，所述超声波测风方法还包括：根据预设环境补偿参数与所述测风腔体中两平面之间的距离计算出共振频率；比较所述共振频率与当前所述超声波形频率，并得一判断结果；在所述判断结果为所述共振频率与所述超声波形频率的差值大于预设阈值时，判断所述共振频率是否在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内，并在所述共振频率在所述超声波换能器组的最大工作频率范围内时，调整所述超声波换能器组的发射频率，使得所述超声波形在所述测风腔体内形成共振。
6.如权利要求5所述的超声波测风方法，其特征在于，所述通过触发使得所述超声波换能器组中的任一超声波换能器发射预设超声波形包括：根据预设参数控制FPGA处理芯片生成一预设频率；根据所述预设频率及所述预设参数中的波形个数控制发射模块发射所述预设超声波形。
7.如权利要求5所述的超声波测风方法，其特征在于，所述控制所述预设超声波形在容纳所述超声波换能器组的测风腔体中形成共振包括：用于根据预设控制规则对超声波换能器组中的超声波换能器进行链路切换，使得处于所述发射状态的超声波换能器与所述发射模块连通，使得处于所述接收状态的超声波换能器与接收模块连通。
8.如权利要求7所述的超声波测风方法，其特征在于，所述预设控制规则包括：在链路切换计时达到预设切换计时参数值时，关闭所述发射模块与所述第一超声波换能器的链接，开启所述发射模块与所述第二超声波换能器的链接，关闭所述接收模块与所述第二超声换能器的链接，开启所述接收模块与所述第一超声换能器的链接；在完成所述第一超声换能器到所述第二超声换能器的波形传输，以及所述第二超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第一超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第一超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换；在完成所述第一超声换能器到所述第三超声换能器的波形传输，以及所述第三超声换能器到所述第一超声换能器的波形传输后，控制执行所述第二超声换能器与第三超声换能器进行波形传输，并控制所述第二超声换能器与第三超声换能器在所述接收模块与所述发射模块之间进行链路切换。
CN201410178762.0A 2014-04-30 2014-04-30 超声波测风装置与方法 Active CN103995146B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410178762.0A CN103995146B (zh) 2014-04-30 2014-04-30 超声波测风装置与方法
DE202015009276.4U DE202015009276U1 (de) 2014-04-30 2015-04-29 Ultraschallwindmessvorrichtung
US15/323,568 US20170269117A1 (en) 2014-04-30 2015-04-29 Ultrasound wind measurement device and method
PCT/IB2015/053114 WO2015166428A1 (zh) 2014-04-30 2015-04-29 超声波测风装置与方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410178762.0A CN103995146B (zh) 2014-04-30 2014-04-30 超声波测风装置与方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103995146A CN103995146A (zh) 2014-08-20
CN103995146B true CN103995146B (zh) 2016-03-30

Family

ID=51309366

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410178762.0A Active CN103995146B (zh) 2014-04-30 2014-04-30 超声波测风装置与方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20170269117A1 (zh)
CN (1) CN103995146B (zh)
DE (1) DE202015009276U1 (zh)
WO (1) WO2015166428A1 (zh)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103995146B (zh) * 2014-04-30 2016-03-30 北京爱信德科技有限公司 超声波测风装置与方法
EP3283890B1 (de) * 2015-04-12 2021-06-02 METEK Meteorologische Messtechnik GmbH Ultraschallwindmesser und verfahren zur ermittlung wenigstens einer komponente eines windgeschwindigkeitsvektors oder der schallgeschwindigkeit in der atmosphäre
CN106324279B (zh) * 2016-09-26 2019-05-28 浙江大学 一种超声波风速风向仪腔体共振频率的实时追踪方法
CN106593764B (zh) * 2016-12-19 2021-08-06 北京金风科创风电设备有限公司 测风系统、测风方法、偏航控制方法和主控系统
CN106771346A (zh) * 2016-12-27 2017-05-31 江苏省无线电科学研究所有限公司 三角阵列超声测风传感器
CN107167627B (zh) * 2017-07-18 2019-12-13 武汉三江中电科技有限责任公司 一种同步差分风速传感器
WO2019200439A1 (en) * 2018-04-20 2019-10-24 Fisher Mark Raymond Improvements relating to detection of physical performance
CN109116363B (zh) 2018-10-30 2022-09-02 电子科技大学 一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置
US12031997B2 (en) * 2018-12-20 2024-07-09 Electro Magnetic Measurements Pty Ltd Method for improving performance of a SODAR system
CN110018327A (zh) * 2019-04-11 2019-07-16 易泽雄 一种超声波测风仪及测风速方法
CN110542766B (zh) * 2019-08-22 2021-08-20 中国船舶重工集团公司第七0七研究所九江分部 一种适用于声波多普勒测量流速的处理电路
CN111474382A (zh) * 2020-04-14 2020-07-31 珠海长园达明智能科技有限公司 超声波测风系统及方法
CN111721967A (zh) * 2020-06-29 2020-09-29 威海精讯畅通电子科技有限公司 一种小型超声波风速风向检测仪及风速风向检测方法
CN112014062A (zh) * 2020-08-19 2020-12-01 中国航天空气动力技术研究院 一种风洞自由飞试验模型位姿测量系统和测量方法
CN112649897B (zh) * 2020-10-10 2023-04-14 中国人民解放军空军研究院战场环境研究所 一种手持气象仪及风速和风力的测定方法
CN113252937A (zh) * 2021-05-24 2021-08-13 国家海洋技术中心 一种小型化超声波风速传感器及其风速测量方法
CN113252936B (zh) * 2021-05-24 2024-02-02 国家海洋技术中心 一种小型化超声波换能器测风阵列结构装置
CN113671215B (zh) * 2021-07-30 2024-02-20 苏州斯威高科信息技术有限公司 一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法及系统
CN114088973B (zh) * 2021-11-20 2024-04-02 吉林大学 一种基于双psd数字锁相放大器的超声波测风系统及方法
CN116124229B (zh) * 2023-04-17 2023-07-07 丹氏生物科技成都有限公司 一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法
CN117783571B (zh) * 2024-02-27 2024-06-04 山西阳光三极科技股份有限公司 一种超声波风速仪的工作电路

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5343744A (en) * 1992-03-06 1994-09-06 Tsi Incorporated Ultrasonic anemometer
CN101236213A (zh) * 2008-03-03 2008-08-06 钟永勇 超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法
CN201331540Y (zh) * 2008-12-30 2009-10-21 本溪满族自治县小水电管理站 基于poe技术的超声波风速风向仪
CN101750516B (zh) * 2009-12-24 2012-11-14 北京汉能华科技有限公司 一种测风仪和测量风速风向的方法
CN101813709B (zh) * 2010-03-09 2012-03-21 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 四面体结构超声风传感器及其测量方法
CN102478585A (zh) * 2010-11-23 2012-05-30 深圳市智翔宇仪器设备有限公司 超声波风速风向仪以及对应的多气象参数测量仪
CN202339352U (zh) * 2011-10-14 2012-07-18 赵华 高精度固态风速风向测量装置
CN202676731U (zh) * 2012-05-22 2013-01-16 太原波峰科技有限公司 智能超声波风向风速测量装置
CN103018481B (zh) * 2012-11-26 2015-05-27 湖南赛能环保科技有限公司 带温度修正的三维超声波测风仪的测量方法
CN103163324B (zh) * 2013-03-14 2015-10-28 甘肃省电力公司 一种风电场三维超声波风速温度检测系统及其测量方法
JP6161448B2 (ja) * 2013-07-17 2017-07-12 アズビル株式会社 超音波流量計及び超音波流量計用の超音波吸収体
CN103728463B (zh) * 2013-12-31 2015-12-09 南京信息工程大学 超声波测风仪及测量方法
CN103995146B (zh) * 2014-04-30 2016-03-30 北京爱信德科技有限公司 超声波测风装置与方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015166428A1 (zh) 2015-11-05
CN103995146A (zh) 2014-08-20
DE202015009276U1 (de) 2017-01-17
US20170269117A1 (en) 2017-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103995146B (zh) 超声波测风装置与方法
CN101750516B (zh) 一种测风仪和测量风速风向的方法
CN104656083A (zh) 一种具有温度补偿的采用脉冲计数的超声波测距系统
CN104459705A (zh) 一种具有温度补偿的超声波测距系统
CN203848888U (zh) 发射角度可调超声波流量计探头
CN101173986A (zh) 一种无盲区的超声测距仪
CN103995483A (zh) 一种超声波换能器的控制方法、装置以及系统
CN102590804A (zh) 一种多普勒声纳陆上测试系统及其测试方法
CN107942284A (zh) 基于二维正交非均匀线阵的水下波达方向估计方法与装置
CN108169752B (zh) 一种基于无线通信的超声波测距方法及系统
CN106338290A (zh) 一种机器人自主充电的导航系统及方法
EP3041736B1 (en) One way time of flight distance measurement
CN104267376A (zh) 一种基于超声波的智能车自动定位系统及方法
CN103308915A (zh) 一种声波测距装置与方法
KR102300646B1 (ko) 흡음계수를 이용한 초음파센서의 신호 보상방법 및 이를 이용한 신호 보상장치
CN104678400A (zh) 一种采用脉冲计数的超声波测距系统
CN105116371B (zh) 一种基于连续发射调频信号的目标定位方法与装置
KR20090062594A (ko) 초음파 센서 어레이를 이용한 3차원 위치측정 장치 및 그방법
KR20140118242A (ko) 초음파 신호의 위상천이 검출에 의한 정밀 거리측정방법
Biryukova et al. Selection of Ultrasonic Sensors for Distance Monitoring
CN106405146A (zh) 一种基于超声共振原理的风速风向测量方法
CN105738651A (zh) 一种带温度补偿的超声波测风速装置
EP3922958B1 (en) Measurement of absolute time of flight in an ultrasonic meter using received and reflected waves
CN108919217A (zh) 一种点云数据处理方法、装置、控制器及雷达传感器
KR100702895B1 (ko) 초음파센서가 구비된 기기의 테스트장치

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant