CN106199063A - 一种超声波三维风向风速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波三维风向风速传感器，其包括：一个传感器主体；第一、第二、第三探头连接杆；第一对、第二对、第三对超声波探头，第一对超声波探头通过第一探头连接杆正对设置于第一测量方向；第二对超声波探头通过第二探头连接杆正对设置于第二测量方向；第三对超声波探头通过第三探头连接杆正对设于第三测量方向；三个测量方向构成三维空间。本发明的超声波三维风向风速传感器，其通过探头连接杆的设置，使得其可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触式超声波测量三维立体空间风向风速装置，尤其是能够同时以高精度、宽量程测量三维空间风向和风速瞬时值的超声波三维风向风速传感器，能够精密测量三维风速、风向和声温数据应用。
背景技术
风向风速测量是气象、农业和工业领域需要测量的重要参数之一，目前，测量风向风速的方式主要是机械式测量，如风杯和风向标，机械式测量方法存在如下不足：需要的启动风速大、机械磨损大、瞬时风速具有惯性误差等弊端，导致其对低于启动风速的较小风速无法测量、测量数据也难以体现出风速的变化。
上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种超声波三维风向风速传感器，其可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，并具有更高的分辨率和更低的误差率。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种超声波三维风向风速传感器，其包括：
一个传感器主体；
第一探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；
第一对超声波探头，包括第一超声波探头和第二超声波探头，二者设于第一探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的测量平面上的第一测量方向正对设置；
第二探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；
第二对超声波探头，包括第三超声波探头和第四超声波探头，二者设于第二探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的所述测量平面上的第二测量方向正对设置，第二测量方向与第一测量方向具有预定夹角α；
第三探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端具有两个分支端，两个分支端分别延伸至传感器主体的第一侧和与第一侧相反的第二侧；
以及
第三对超声波探头，包括第五超声波探头和第六超声波探头，二者设于第三探头连接杆的第一分支端和第二分支端，并在与所述测量平面呈预定夹角β的第三测量方向正对设置。
通过探头连接杆的设置，使得超声波探头处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。
实施时，可以先利用第一超声波探头接收第二超声波探头发射的超声波，再利用第二超声波探头接收第一超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第一测量方向的参数；第三超声波探头接收第四超声波探头发射的超声波，第四超声波探头接收第三超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第二测量方向的参数；第五超声波探头接收第六超声波探头发射的超声波，第六超声波探头接收第五超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第三测量方向的参数；结合第一测量方向、第二测量方向和第三测量方向的参数得到瞬时三维立体风向风速。
具体的，三维风向风速可以按如下方法计算得到：
设第一测量方向(例如X或Y或Z)的两个超声波探头间的距离为d，顺风时二者间的传输时间为t12，逆风时二者间的传输时间为t21，风速为Vw，超声波传播速度为VS，可得：
化简可得风速Vw：
化简可得声速VS：
超声波在空气中传播速度C(m/s)与温度T(℃)的关系式为:
将根据固定轴距和测量时间计算得出的声速值带入式(5)，便可计算出声温值。
单轴风速矢量计算完成后，再利用该风速通过计算来合成矢量风速和风向，平面内角度计算分为四个象限，即0～90°、91～180°、181～270°、271～359°，单轴风速定义为：东西轴VEW、南北轴VSN，矢量风向为D；
可按式(6)计算得到平面矢量风速：
可按式(7)-式(10)计算平面矢量风向：
若在0～90°象限内：
若在91～180°象限内：
若在181～270°象限内：
若在271～359°象限内：
用平面内矢量风速和风向再加入Z轴的矢量风速，即为空间三维的风速风向的表示。
本发明的一个实施例中，第一超声波探头和第二超声波探头之间的距离、第三超声波探头和第四超声波探头之间的距离、第五超声波探头和第六超声波探头之间的距离三者相等，借以简化计算，提高测量精度。
本发明的一个实施例中，第一探头连接杆为两个，分别连接于传感器主体。
本发明的一个实施例中，第二探头连接杆为两个，分别连接于传感器主体。
本发明的一个实施例中，第一、第二、第三探头连接杆与传感器主体的连接处设置有防水胶圈。
本发明的一个实施例中，第一探头连接杆整体呈C型。
较佳的，第一探头连接杆具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于传感器主体，超声波探头连接于第四延伸段。
其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°。
本发明的一个实施例中，第二探头连接杆整体呈C型。
较佳的，第二探头连接杆具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于传感器主体，超声波探头连接于第四延伸段。
其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°。
本发明的一个实施例中，第三探头连接杆整体呈Y型，其中，第一分支端整体呈C型，第二分支端整体呈C型。
较佳的，第三探头连接杆具有上下轴支撑杆、上下轴支杆连接节，上下轴支撑杆一端与传感器主体连接，另一端与上下轴支杆连接节连接，第一分支端具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于上下轴支杆连接节的第一端(较佳的，二者的连接处设置有防水胶圈)，超声波探头连接于第四延伸段(第二分支端可以与第一分支端对称设置于上下轴支杆连接节的第二端)。
其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°。
本发明的一个实施例中，预定夹角α的角度为90°，借以简化计算，提高处理速度，提高监测频率。
本发明的一个实施例中，预定夹角β的角度为90°，借以简化计算，提高处理速度，提高监测频率。
本发明的一个实施例中，传感器主体设有：
核心处理单元；
脉冲发射模块，设于核心处理单元与超声波探头之间，其PWM脉冲分时切换模拟开关模块与核心处理单元连接，其“H”桥驱动脉冲变压器模块设于PWM脉冲分时切换模拟开关模块与超声波探头之间；
回波接收模块，设于超声波探头与核心处理单元之间，其回波接收分时切换模拟开关模块与超声波探头连接，其回波处理模块设于回波接收分时切换模拟开关模块与核心处理单元之间，其中，回波处理模块中具有全检波和微分模块。
较佳的，回波处理模块还包括回波放大和滤波模块。
本发明的一个实施例中，其传感器主体还设有分区隔离稳压模块，核心处理单元通过分区隔离稳压模块接入输入电压。
本发明的一个实施例中，其传感器主体还设有数字转换模块，核心处理单元通过数字转换模块输出信号。
本发明的一个实施例中，全检波和微分模块包括：
运算放大器U1C，其反相输入端通过电阻4连接回波信号输入端1接入放大后的回波信号Echo_Sign，其同相输入端通过运放端偏置电阻14连接运放端偏置电压接入端15；
检波二极管12，其负极连接运算放大器U1C的反相输入端，正极连接运算放大器U1C的输出端；
检波二极管13，其负极连接运算放大器U1C的输出端，其正极通过并联的滤波电阻16和滤波电容18接入运放端偏置电压AVcc_Bias；
电阻5，连接于检波二极管12的负极和检波二极管13的正极；
集成运算放大器19，其反相输入端通过电阻6连接检波二极管13的正极，并通过加法器电阻2接入放大后的回波信号Echo_Sign，其同相输入端通过运放端偏置电阻17接入运放端偏置电压AVcc_Bias，其输出端与反相输入端之间连接有运放端反馈电阻3，集成运算放大器19还连接有运放端供电电压接入端7和模拟地接入端20；
集成运算放大器22，其反相输入端通过依次连接的微分电容11和微分端输入电阻10连接集成运算放大器19的输出端，其同相输入端通过运放端偏置电阻21接入运放端偏置电压AVcc_Bias，其输出端与反相输入端之间通过并联的微分端补偿电容8和微分端反馈电阻9连接。
其中，运放端反馈电阻3、加法器电阻2、电阻4、电阻5、电阻6之间的电阻值关系为：R1＝R2＝R3＝R4＝2*R5。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的超声波三维风向风速传感器，由于其是采用的超声波测量，相较现有技术而言，其可以计算的启动风速最小为0m/s，即零启动风速，消除了瞬时风速的机械惯性导致的误差，能够更宽范围、高精度、低误差地测量三维风向风速；通过探头连接杆的设置，使得超声波探头处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。其电路结构简单、运行稳定、效率高、监测有效量程宽。
附图说明
图1为本发明一个实施例的整体结构示意图；
图2为本发明一个实施例的电路系统原理图；
图3为本发明一个实施例中的全检波和微分模块示意图；
图4为本发明一个实施例的操作流程示意图。
【附图标记说明】
E1：第一探头连接杆；
E2：第二探头连接杆；
E3：上下轴支杆连接节；
E4：超声波探头；
E5：方向指示标记；
E6：传感器主体；
E7：固定支架；
E8：上下轴支撑杆；
E9：防水胶圈；
E10：防水胶圈；
1：回波信号输入端；
2：加法器电阻；
3：运放端反馈电阻；
4：电阻；
5：电阻；
6：电阻；
7：运放端供电电压接入端；
8：微分端补偿电容；
9：微分端反馈电阻；
10：微分端输入电阻；
11：微分电容；
12：检波二极管；
13：检波二极管；
14：运放端偏置电阻；
15：运放端偏置电压接入端；
16：滤波电阻；
17：运放端偏置电阻；
18：滤波电容；
19：集成运算放大器；
20：模拟地接入端；
21：运放端偏置电阻；
22：集成运算放大器；
23：输出电压；
24：输出电压。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明一个实施例的超声波三维风向风速传感器，其包括：
一个传感器主体E6；
第一探头连接杆E1，第一端连接于传感器主体E6，另一端为自由端，延伸至传感器主体E6的第一侧；
第一对超声波探头，包括第一超声波探头和第二超声波探头，二者设于第一探头连接杆E1的自由端，并在传感器主体E6的第一侧的测量平面上的第一测量方向正对设置；
第二探头连接杆E2，第一端连接于传感器主体E6，另一端为自由端，延伸至传感器主体E6的第一侧；
第二对超声波探头，包括第三超声波探头和第四超声波探头，二者设于第二探头连接杆E2的自由端，并在传感器主体E6的第一侧的所述测量平面上的第二测量方向正对设置，第二测量方向与第一测量方向具有预定夹角α；
第三探头连接杆，第一端连接于传感器主体E6，另一端具有两个分支端，两个分支端分别延伸至传感器主体E6的第一侧和与第一侧相反的第二侧；
以及
第三对超声波探头，包括第五超声波探头和第六超声波探头，二者设于第三探头连接杆的第一分支端和第二分支端，并在与所述测量平面呈预定夹角β的第三测量方向正对设置。
通过探头连接杆的设置，使得超声波探头E4处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，可以防止涡流对风速测量准确性的影响，具有更高的抗干扰性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。
如图1所示，第一对超声波探头，包括西向超声波探头和东向超声波探头，二者在测量平面上的东西方向正对设置；第二对超声波探头，包括北向超声波探头和南向超声波探头，二者在所述测量平面上的南北方向正对设置；第三对超声波探头，包括上超声波探头和下超声波探头，二者在竖直方向上上下正对设置。通过将三组超声波探头设于东西、南北、上下方向，即两两正向对射，且三组探头组成的交叉线在所属三维空间内正交垂直(即预定夹角α的角度为90°，预定夹角β的角度为90°)，以便数据能被准确测量，且可以简化计算，提高处理速度，提高监测频率。
其中，探头连接杆可以是一个或多个，例如可以是具有六个自由端的一个探头连接杆，也可以是多个探头连接杆共设置有六个自由端，例如，设置两个第一探头连接杆E1，第一超声波探头和第二超声波探头各通过一个第一探头连接杆E1连接于传感器主体E6，设置两个第二探头连接杆E2，第三超声波探头和第四超声波探头各通过一个第二探头连接杆E2连接于传感器主体E6，一个第三探头连接杆，其具有上下轴支撑杆E8、上下轴支杆连接节E3、第一分支端和第二分支端，其上下轴支撑杆E8连接于传感器主体E6，第一分支端和第二分支端通过上下轴支杆连接节E3连接于上下轴支撑杆E8，第五超声波探头和第六超声波探头分别设于第一分支端和第二分支端。借此，可以简化结构，便于生产，而且，更有利于降低对风的干扰，得以提高测量结果的准确性。
其中，第一、第二探头连接杆E1、E2整体呈C型，借此可以使第一、第二、第三和第四超声波探头设于传感器主体E6的上方，使得整体结构紧凑，占用空间小，同时，尤其能够更进一步地降低对风的干扰，减少误差。
其中，第三探头连接杆的第一分支端整体呈C型，第二分支端整体呈C型，借此可以使第五、第六超声波探头分别设于传感器主体E6的上方和下方，使得整体结构紧凑，占用空间小，同时，尤其能够更进一步地降低对风的干扰，减少误差。
较佳的，第一、第二探头连接杆E1、E2具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于传感器主体E6，第一、第二、第三和第四超声波探头连接于第四延伸段；第一、第二分支端具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于上下轴支杆连接节E3，超声波探头连接于第四延伸段。各弯折段可以为圆滑过渡，借以更进一步降低对风的干扰，得以提高测量结果的准确性。
其中，第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°，借以更进一步降低对风的干扰，得以提高测量结果的准确性。
较佳的，第一对超声波探头之间的距离、第二对超声波探头之间的距离和第三对超声波探头之间的距离三者相同。
其中，传感器主体E6的外壳包括：
顶盖，设于传感器主体E6的第一侧，其上设有安装方向标识(例如朝北的箭头)，以便于安装实施；
底座，设于传感器主体E6相反于顶盖的一侧，用于固定主电路板和第一、第二、第三探头连接杆；
侧壁，连接于顶盖和底座之间，第一、第二、第三探头连接杆穿过侧壁由传感器主体E6内部延伸出来；
防水胶圈E9和垫片，设于第一、第二、第三探头连接杆与传感器主体E6的连接处，并将第一、第二、第三探头连接杆和底座的接触点密封；以及
固定支架E7，连接于底座一侧，在安装时用于固定，还可以在底部安装高强度航空插头，以便于外部接线测量，可以采用高硬度、耐腐蚀、耐氧化的不锈钢管，以保证安装的绝对牢固性，避免晃动影响到测量数据的稳定性和真实性。
较佳的，第三探头连接杆的第一分支端和第二分支端与上下轴支杆连接节E3之间也设置防水胶圈E10和垫片，借以起到内外防水隔离的作用。
较佳的，超声波探头与传感器主体E6之间的固定方式为连接杆一体化(如金属杆一体化，可采用外径6mm的高硬度钢管)，无活动零部件，能够有效防止晃动造成的系统误差。
传感器主体E6的外壳可以采用高强度的耐腐蚀材料制成。
例如，可以涂覆有防腐涂层。
其中，防腐涂层可以采用由下列重量份的成分组成的涂料：
环氧树脂100-110份、苯烯酸树脂20-30份、异氰脲酸三缩水甘油酯10-18份、二苯醚树脂10-15份、二甲苯15-18份、聚乙烯醇缩丁醛酯2-3份、氮化硅5-15份、吡啶硫酮锌7-10份、二月桂酸二丁基锡1-3份、季戊四醇1-2份、聚苯并咪唑8-12份、氨丙基三乙氧基硅烷1-3份、FeCr2O4纳米粉3-4份、滑石粉1-5份、二甲基乙醇胺3-8份、二壬基萘磺酸钡6-10份、Ag3PO4纳米粉1-2份、二氧化钛纳米粉2-5份、MoO3纳米粉5-8份、HfO2纳米粉3-11份。
较佳的，环氧树脂105份、苯烯酸树脂25份、异氰脲酸三缩水甘油酯14份、二苯醚树脂12份、二甲苯16.8份、聚乙烯醇缩丁醛酯2.4份、氮化硅8份、吡啶硫酮锌8份、二月桂酸二丁基锡2份、季戊四醇1.2份、聚苯并咪唑10份、氨丙基三乙氧基硅烷2份、FeCr2O4纳米粉3.3份、滑石粉3份、二甲基乙醇胺4份、二壬基萘磺酸钡8份、Ag3PO4纳米粉1.2份、二氧化钛纳米粉2.5份、MoO3纳米粉5.8份、HfO2纳米粉4.1份。
采用上述防腐涂层，不仅可以提高耐候性，而且，其耐冲击，不易脱落，尤其是，在日晒下，相较未涂覆涂层时，壳体温升能够被有效抑制。
上述结构的设置，使得传感器主体E6的外形简洁、结构紧凑，可以最大限度地降低对风的干扰，得以提高测量结果的准确性，尤其是连接杆固定超声波探头E4的方式，可以在保证最大强度固定探头位置的同时，将对测量的立体风影响降低至最低限度。
其中，为了达到分时驱动超声波探头E4的目的，传感器主体E6采用由核心处理器发送高频脉冲，再经过多路模拟开关切换的方式，为了有效增强超声波探头的发射功率，增强传播的抗衰减性，脉冲变压器的初级线圈端采用“H”桥驱动，将低压脉冲在次级线圈端变为高压脉冲，为了提高对回波的检测精度，传感器主体E6的电路部分还对回波处理加入了全检波和微分电路。
具体的，参见图2，传感器主体E6中的电路结构包括：
核心处理单元；
脉冲发射模块，设于核心处理单元与超声波探头E4之间，其PWM脉冲分时切换模拟开关模块与核心处理单元连接，其“H”桥驱动脉冲变压器模块设于PWM脉冲分时切换模拟开关模块与超声波探头之间；
回波接收模块，设于超声波探头E4与核心处理单元之间，其回波接收分时切换模拟开关模块与超声波探头E4连接，其回波处理模块设于回波接收分时切换模拟开关模块与核心处理单元之间，其中，回波处理模块中具有全检波和微分模块。
较佳的，参见图3，全检波和微分模块包括：
运算放大器U1C，其反相输入端通过电阻4连接回波信号输入端1接入放大后的回波信号Echo_Sign，其同相输入端通过运放端偏置电阻14连接运放端偏置电压接入端15；
检波二极管12，其负极连接运算放大器U1C的反相输入端，正极连接运算放大器U1C的输出端；
检波二极管13，其负极连接运算放大器U1C的输出端，其正极通过并联的滤波电阻16和滤波电容18连接运放端偏置电压AVcc_Bias；
电阻5，连接于检波二极管12的负极和检波二极管13的正极；
集成运算放大器19，其反相输入端通过电阻6连接检波二极管13的正极，并通过加法器电阻2接入放大后的回波信号Echo_Sign，其同相输入端通过运放端偏置电阻17接入运放端偏置电压AVcc_Bias，其输出端与反相输入端之间连接有运放端反馈电阻3，集成运算放大器19还连接有运放端供电电压接入端7和模拟地接入端20；
集成运算放大器22，其反相输入端通过依次连接的微分电容11和微分端输入电阻10连接集成运算放大器19的输出端，其同相输入端通过运放端偏置电阻21接入运放端偏置电压AVcc_Bias，其输出端与反相输入端之间通过并联的微分端补偿电容8和微分端反馈电阻9连接。
其中，R1＝R2＝R3＝R4＝2*R5。
借助上述结构，可以由运算放大器和检波二极管构成绝对值检波电路，无论输入信号是大于还是小于中心偏置电压，输出结果均为大于中心偏置电压，具体的：
当Vi>0，Vo1<0时，检波二极管13导通，检波二极管12截止，
化简得：
VO＝Vi式(12)；
当Vi<0，Vo1>0时，检波二极管12导通，检波二极管13截止，
化简得：
VO＝-Vi式(14)，
其中，Vi为放大后的回波信号，Vol为输出电压23，Vo为输出电压24。
运算放大器19形成加法器运算放大，将全检波信号放大，运算放大器22形成微分电路，微分电容11通过储能、滤除载波无用，将直接解析出有用的过中心回波信号。
其中，回波处理模块还包括回波放大和滤波模块。
较佳的，其传感器主体E6还设有分区隔离稳压模块，核心处理单元通过分区隔离稳压模块接入输入电压。
其中，传感器主体E6还设有数字转换模块，核心处理单元通过数字转换模块输出信号。
其中，为了进一步提高其测量结果的准确性，还提供校准功能，其归零校准在静态环境下完成，调校超声波间一致性和电路间误差，其分段极值校准是在不同标准风速点位进行对传感器的校准，例如10m/s校准，当风洞提供标准的10m/s风速时，通过计算传感器的测量值和标准值做差，差值再线性拟合校准到测量值中。
其中，还可以在传感器主体E6中内置设置模块，借以对包括数据输出频率等进行设置，例如使用户可选择单位时间内输出瞬时值或平均值。
为了提高测量精度，降低系统误差，可以选用宽量程、低盲区的超声波探头，还可以采用高主频电路来改进瞬时平面风向风速测量值，为了提高适应性，让其能够全天候使用，超声波探头可以内置加热模块，避免冰霜、雨雪对测量的影响，更加能够适应全天候测量环境。
实施时，可以采用超声波时差法计算测量单轴风速风向，传感器利用对侧探头声波脉冲收发，测量风速对回波时长影响。例如，首先第一超声波探头作为发射探头，第二超声波探头作为接收探头，进行测量时得到一个时间，然后第二超声波探头作为发射探头，第一超声波探头作为接收探头得到相对方向上的另一个时间(单轴风速计算无需温度补偿，对射探头的计算误差可相互抵消)。
设南北(或东西或上下)的两个超声波探头间的距离为d，顺风时二者间的传输时间为t12，逆风时二者间的传输时间为t21，风速为Vw，超声波传播速度为VS，可得：
化简可得风速Vw：
化简可得声速VS：
超声波在空气中传播速度C(m/s)与温度T(℃)的关系式为:
将根据固定轴距和测量时间计算得出的声速值带入式(5)，便可计算出声温值。
单轴风速矢量计算完成后，再利用该风速通过计算来合成矢量风速和风向，平面内角度计算分为四个象限，即0～90°、91～180°、181～270°、271～359°，单轴风速定义为：东西轴VEW、南北轴VSN，矢量风向为D；
可按式(6)计算得到平面矢量风速：
可按式(7)-式(10)计算平面矢量风向：
若在0～90°象限内：
若在91～180°象限内：
若在181～270°象限内：
若在271～359°象限内：
用平面内矢量风速和风向再加入Z轴的矢量风速，即为空间三维的风速风向的表示。
参见图4，本发明还提供了超声波三维风向风速传感器的监测方法，其包括如下步骤：
S1、开机自检；
S2、参数配置初始化；
S3、开启时基定时器(SYSTICK)；
S4、测量单探头回波时间；
S5、滤波计算风速风向温度数据；
S6、判断测量单周期是否完成，若否，则返回执行步骤S4，若是，则继续执行步骤S7；
S7、滤波计算风速风向温度数据；
S8、判断是否达到定时输出数据时间，若否，则返回执行步骤S4～S7，若是，则继续执行步骤S9；
S9、DMA串口自动发送数据包。
其中，步骤S4～S7具体包括：
S10、探头单驱动准备；
S11、各探头单次测量；
S12、每次测量数据存入固定数组；
S13、存储测量值的数组中数据整体右移一位；
S14、平均各单轴数组数据，合成计算瞬时风向风速值。
通过上述方法，本发明的超声波三维风向风速传感器可以实时、准确地测得三维风速风向。
综上所述，本发明的超声波三维风向风速传感器，由于其是采用的超声波测量，相较现有技术而言，其无接触的测量方式避免了机械磨损带来的失真误差和惯性误差，能够更宽范围、高精度、低误差地测量立体矢量风向和风速，理论计算启动风速最低限为0m/s，输出瞬时风速具有更高可靠性；通过探头连接杆的设置，使得超声波探头处于一个敞开的空间中，其通风性更好，尤其是其减少了对风的干扰，得以更好地保留风的自然特性，有助于提高测量结果的真实性和准确性。进一步地，其通过在电路部分对回波处理加入全检波和微分电路，整体提高了对回波的检测精度；通过由核心处理器发送高频脉冲，经过多路模拟开关切换，达到了分时驱动超声波探头的效果；通过脉冲变压器的初级线圈端采用“H”桥驱动，将低压脉冲在次级线圈端变为高压脉冲，有效增强了超声波探头的发射功率，增强了传播的抗衰减性，且其电路结构简单、运行稳定、效率高、监测频率宽。简单来说，本发明的超声波三维风向风速传感器可在恶劣环境下不间歇工作，提供有效空间三维度的风向风速测量值，通过改进测量和安装结构，可以防止涡流对正常风速的准确测量，并具有更高的分辨率和更低的误差率。
Claims (10)
1.一种超声波三维风向风速传感器，其特征在于，其包括：
一个传感器主体；
第一探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；
第一对超声波探头，包括第一超声波探头和第二超声波探头，二者设于第一探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的测量平面上的第一测量方向正对设置；
第二探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端为自由端，延伸至传感器主体的第一侧；
第二对超声波探头，包括第三超声波探头和第四超声波探头，二者设于第二探头连接杆的自由端，并在传感器主体的第一侧的所述测量平面上的第二测量方向正对设置，第二测量方向与第一测量方向具有预定夹角α；
第三探头连接杆，第一端连接于传感器主体，另一端具有两个分支端，两个分支端分别延伸至传感器主体的第一侧和与第一侧相反的第二侧；
以及
第三对超声波探头，包括第五超声波探头和第六超声波探头，二者设于第三探头连接杆的第一分支端和第二分支端，并在与所述测量平面呈预定夹角β的第三测量方向正对设置。
2.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一超声波探头接收第二超声波探头发射的超声波，再利用第二超声波探头接收第一超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第一测量方向的参数；第三超声波探头接收第四超声波探头发射的超声波，第四超声波探头接收第三超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第二测量方向的参数；第五超声波探头接收第六超声波探头发射的超声波，第六超声波探头接收第五超声波探头发射的超声波，并利用超声时差法计算第三测量方向的参数；结合第一测量方向、第二测量方向和第三测量方向的参数得到瞬时三维立体风向风速。
3.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一超声波探头和第二超声波探头之间的距离、第三超声波探头和第四超声波探头之间的距离、第五超声波探头和第六超声波探头之间的距离三者相等。
4.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一探头连接杆为两个，分别连接于传感器主体，第二探头连接杆为两个，分别连接于传感器主体，第三探头连接杆为一个，具有上下轴支撑杆、上下轴支杆连接节、第一分支端和第二分支端，其上下轴支撑杆连接于传感器主体，第一分支端和第二分支端通过上下轴支杆连接节连接于上下轴支撑杆。
5.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一探头连接杆整体呈C型，第二探头连接杆整体呈C型，第三探头连接杆的第一分支端整体呈C型，第二分支端整体呈C型。
6.如权利要求5所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：第一、第二探头连接杆具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于传感器主体，超声波探头连接于第四延伸段；第一、第二分支端具有依次连接的第一延伸段、第一弯折段、第二延伸段、第二弯折段、第三延伸段、第三弯折段和第四延伸段，第一延伸段连接于上下轴支杆连接节，超声波探头连接于第四延伸段。第一弯折段、第二弯折段、第三弯折段的弯折角度之和为180°，较佳的，三个弯折段的弯折角度相同，均为60°。
7.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：预定夹角α的角度为90°，预定夹角β的角度为90°。
8.如权利要求1所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于，传感器主体设有：
核心处理单元；
脉冲发射模块，设于核心处理单元与超声波探头之间，其PWM脉冲分时切换模拟开关模块与核心处理单元连接，其“H”桥驱动脉冲变压器模块设于PWM脉冲分时切换模拟开关模块与超声波探头之间；
回波接收模块，设于超声波探头与核心处理单元之间，其回波接收分时切换模拟开关模块与超声波探头连接，其回波处理模块设于回波接收分时切换模拟开关模块与核心处理单元之间，其中，回波处理模块中具有全检波和微分模块。
9.如权利要求8所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于，全检波和微分模块包括：
运算放大器U1C，其反相输入端通过电阻(4)连接回波信号输入端(1)，其同相输入端通过运放端偏置电阻(14)连接运放端偏置电压接入端(15)；
检波二极管(12)，其负极连接运算放大器U1C的反相输入端，正极连接运算放大器U1C的输出端；
检波二极管(13)，其负极连接运算放大器U1C的输出端，其正极通过并联的滤波电阻(16)和滤波电容(18)接入运放端偏置电压AVcc_Bias；
电阻(5)，连接于检波二极管(12)的负极和检波二极管(13)的正极；
集成运算放大器19，其反相输入端通过电阻(6)连接检波二极管(13)的正极，并通过加法器电阻(2)接入放大后的回波信号Echo_Sign，其同相输入端通过运放端偏置电阻(17)接入运放端偏置电压AVcc_Bias，其输出端与反相输入端之间连接有运放端反馈电阻(3)，集成运算放大器(19)还连接有运放端供电电压接入端(7)和模拟地接入端(20)；
集成运算放大器(22)，其反相输入端通过依次连接的微分电容(11)和微分端输入电阻(10)连接集成运算放大器(19)的输出端，其同相输入端通过运放端偏置电阻(21)接入运放端偏置电压AVcc_Bias，其输出端与反相输入端之间通过并联的微分端补偿电容(8)和微分端反馈电阻(9)连接。
10.如权利要求9所述的超声波三维风向风速传感器，其特征在于：
运放端反馈电阻(3)、加法器电阻(2)、电阻(4)、电阻(5)、电阻(6)之间的电阻值关系为：R1＝R2＝R3＝R4＝2*R5。
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