CN107167626A - 基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪及测风方法 - Google Patents

基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪及测风方法 Download PDF

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吴红军
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Abstract

本发明涉及一种基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪及方法，测风仪包括超声波换能器、数据传输线以及主壳体，所述超声波换能器分为三组，每组由一个发射超声波换能器与一个接收超声波换能器组成，每组超声波换能器中的一个超声波换能器设于一顶点处，该顶点与三组超声波换能器中的另外三个超声波换能器构成三棱锥的几何体形状，且该三棱中与该点共面的三个面不相互两两垂直，所述超声波换能器通过数据传输线与主壳体连接。有益效果：利用三组超声波换能器非正交化处理来减小阴影效应对测风精度的影响，结合数学思想分离出三维风速风向，阵型结构简单，后期数据处理方便。

Description

基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪及测风方法
技术领域
本发明涉及高精度测风领域，尤其涉及一种基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪及方法。
背景技术
随着现代社会飞速发展，风在能源、气象等领域担负着越来越重要的角色，准确地对风速风向进行测量对人类的生产生活都有着极大的作用。现代测风领域使用较为广泛的是超声波测风仪，该测风仪安装简单、维护方便并且设备成本较低。但是由于测风过程中阴影效应的影响，测量精度大打折扣，因此亟需设计一个合适的测风阵型。
超声波测风仪中使用较为广泛的三维测风阵型是基于空间直角坐标系构建的，即采用6个换能器工作，每对换能器采用正交方式排列，在空间上形成一个空间直角坐标系。此阵型虽然可以测得风速度以及风向角，但是没有考虑到阴影效应的影响，即当风向垂直于两组换能器时，这两组换能器就无法测出风速值，只能依靠平行于风向的第三组换能器。此时，由于一端换能器的阻挡，风无法以正常速度穿过这组换能器，从而产生阴影效应影响了数据精确度。
发明内容
本发明目的在于克服现有工程项目在执行过程中遇到问题时，利用超声波测风仪三组换能器非正交化处理实现对三维风速和风向测量，并且根据阴影效应的影响程度进行数据补偿,提供了一种测量精度较高、方便计算、结构简单紧凑、小型化的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，具体由以下技术方案实现：
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，包括超声波换能器、数据传输线以及主壳体，所述超声波换能器分为三组，每组由一个发射超声波换能器与一个接收超声波换能器组成，每组超声波换能器中的一个超声波换能器设于一顶点处，该顶点与三组超声波换能器中的另外三个超声波换能器构成三棱锥的几何体形状，且该三棱锥与该点共面的三个面不相互两两垂直，所述超声波换能器通过数据传输线与主壳体连接。
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的进一步设计在于，所述数据传输线为三根，分别为第一数据传输线、第二数据传输线以及第三数据传输线，位于所述顶点的三个超声波换能器设于第一数据传输线，所述第二数据传输线连接有一个超声波换能器，所述第三数据传输线连接有两个超声波换能器。
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的进一步设计在于，所述第一数据传输线、第二数据传输线以及第三数据传输线通过一数据主线与主壳体连接。
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的进一步设计在于，设定所述顶点为A点，剩下三个超声波换能器分别放置于B、C、D点，超声波换能器A、B连接形成的线段垂直于超声波换能器B、C、D所在平面，超声波换能器A、C连接形成的线段和超声波换能器A、D连接形成的线段分别与与超声波换能器B、C、D所在三角形平面形成45°的夹角，且三角形平面内的∠CBD为120°。
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的进一步设计在于，超声波换能器A、C的间距与超声波换能器A、D的间距均为282mm，超声波换能器A、B的间距为200mm。
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的进一步设计在于，所述超声波换能器采用CQY3-UTHE，换能器呈流线型子弹头的形状且换能器的表面经抛光处理。
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的进一步设计在于，位于所述顶点的三个超声波换能器均为发射超声波换能器或均为接收超声波换能器。
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的进一步设计在于，所述主壳体通过数据总线、数据传输线与超声波换能器连接，内部集成测风控制电路和无线传输电路。
所述基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的进一步设计在于，所述主壳体通过一柱臂支撑。
如所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的测风方法，包括：
设定所述顶点为A点，剩下三个超声波换能器分别放置于B、C、D点,且,超声波换能器B、C、D所在组测得的风速标量分别为VB、VC、VD，风速值为水平偏角为α，垂直偏角为β，则根据立体几何的解析方法得出式(1)、(2)、(3)：
根据公式(1)、(2)、(3)算出最终的三维风速风向，如式(4)：
本发明的优点如下：
本发明的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪利用三组CQY3-UTHE超声波换能器非正交化处理来减小阴影效应对测风精度的影响，通过时差法计算出每组换能器测得的风速，结合数学思想分离出三维风速风向，阵型结构简单，后期数据处理方便。
附图说明
图1是基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪结构图。
图2是基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪阵型几何解析图。
图3是基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪三维风示意图。
具体实施方式
如图1，本实施例提供的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，包括超声波换能器、数据传输线以及主壳体，超声波换能器分为三组，每组由一个发射超声波换能器与一个接收超声波换能器组成，每组超声波换能器中的一个超声波换能器设于一顶点处，本实施例中为超声波换能器1、超声波换能器2以及超声波换能器3。该顶点与三组超声波换能器中的另外三个超声波换能器构成三棱锥的几何体形状，且该三棱锥与该点共面的三个面不相互两两垂直，超声波换能器通过数据传输线与主壳体连接。
数据传输线为三根，分别为第一数据传输线7、第二数据传输线8以及第三数据传输线9。第一数据传输线7上设有位于顶点的三个超声波换能器。第二数据传输线8连接有一个超声波换能器4。第三数据传输线9连接有两个超声波换能器，如图1，分别为超声波换能器5与超声波换能器6。
第一数据传输线7、第二数据传输线8以及第三数据传输线9通过一数据主线11与主壳体12连接。
如图2，本实施例中，设定顶点为A点，剩下三个超声波换能器分别放置于B、C、D点，超声波换能器A、B连接形成的线段垂直于超声波换能器B、C、D所在平面，超声波换能器A、C连接形成的线段和超声波换能器A、D连接形成的线段分别与与超声波换能器B、C、D所在三角形平面形成45°的夹角，且三角形平面内的∠CBD为120°。
进一步的，超声波换能器A、C的间距与超声波换能器A、D的间距均为282mm，超声波换能器A、B的间距为200mm。如图3，本实施例为基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪通过风速值水平偏角α、垂直偏角β即三维风表示方法额示意图。
本实施例中，超声波换能器采用CQY3-UTHE，换能器呈流线型子弹头的形状且换能器的表面经抛光处理。子弹头形状的换能器长32mm、直径12mm，中心频率为200kHz。
本实施例中，位于顶点的三个超声波换能器均为发射超声波换能器。
主壳体通过数据总线、数据传输线与超声波换能器连接，内部集成测风控制电路和无线传输电路。主壳体12通过一柱臂13支撑形成测风平台。
本实施例的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪测量原理为：将测风仪放于空旷环境中，先由三组换能器通过时差法分别测出三个方向上的风速分量，经过数据传输线送达主壳体，通过主壳体内的无线传输电路可将测得的数据远程送达接收端。然后以水平面和正东方向为基准建立空间直角坐标系，利用立体几何通过特殊角的三角函数分离出风速大小、水平偏角以及垂直偏角。本实施例以风速大小、水平偏角和垂直偏角表示三维风速风向。
如上述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的测风方法，包括如下步骤：
1)设定顶点为A点，剩下三个超声波换能器分别放置于B、C、D点,且,超声波换能器B、C、D所在组测得的风速标量分别为VB、VC、VD，风速值为水平偏角为α，垂直偏角为β，则根据立体几何的解析方法得出式(1)、(2)、(3)：
2)根据公式(1)、(2)、(3)算出最终的三维风速风向，如式(4)：
本实施例的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪利用三组CQY3-UTHE超声波换能器非正交化处理来减小阴影效应对测风精度的影响，通过时差法计算出每组换能器测得的风速，结合数学思想分离出三维风速风向，阵型结构简单，后期数据处理方便。本实施例可进一步根据阴影效应的影响程度进行数据补偿，实现高精度测风，测风仪设计成本低，可靠性高，易于实现。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征在于包括超声波换能器、数据传输线以及主壳体，所述超声波换能器分为三组，每组由一个发射超声波换能器与一个接收超声波换能器组成，每组超声波换能器中的一个超声波换能器设于一顶点处，该顶点与三组超声波换能器中的另外三个超声波换能器构成三棱锥的几何体形状，且该三棱锥与该点共面的三个面不相互两两垂直，所述超声波换能器通过数据传输线与主壳体连接。
2.根据权利要求1所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征在于所述数据传输线为三根，分别为第一数据传输线、第二数据传输线以及第三数据传输线，位于所述顶点的三个超声波换能器设于第一数据传输线，所述第二数据传输线连接有一个超声波换能器，所述第三数据传输线连接有两个超声波换能器。
3.根据权利要求2所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征在于所述第一数据传输线、第二数据传输线以及第三数据传输线通过一数据主线与主壳体连接。
4.根据权利要求1所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征在于设定所述顶点为A点，剩下三个超声波换能器分别放置于B、C、D点，超声波换能器A、B连接形成的线段垂直于超声波换能器B、C、D所在平面，超声波换能器A、C连接形成的线段和超声波换能器A、D连接形成的线段分别与与超声波换能器B、C、D所在三角形平面形成45°的夹角，且三角形平面内的∠CBD为120°。
5.根据权利要求4所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征在于超声波换能器A、C的间距与超声波换能器A、D的间距均为282mm，超声波换能器A、B的间距为200mm。
6.根据权利要求1所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征在于，所述超声波换能器采用CQY3-UTHE，换能器呈流线型子弹头的形状且换能器的表面经抛光处理。
7.根据权利要求1所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征是：位于所述顶点的三个超声波换能器均为发射超声波换能器或均为接收超声波换能器。
8.根据权利要求1所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征在于，所述主壳体通过数据总线、数据传输线与超声波换能器连接，内部集成测风控制电路和无线传输电路。
9.根据权利要求1所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪，其特征在于，所述主壳体通过一柱臂支撑。
10.如权利要求1-5任一项所述的基于非正交测风阵型的三维超声波测风仪的测风方法，其特征在于包括：
设定所述顶点为A点，剩下三个超声波换能器分别放置于B、C、D点,且,超声波换能器B、C、D所在组测得的风速标量分别为VB、VC、VD，风速值为水平偏角为α，垂直偏角为β，则根据立体几何的解析方法得出式(1)、(2)、(3)：
根据公式(1)、(2)、(3)算出最终的三维风速风向，如式(4)：
。
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