CN109374921A - 一种超声波风速风向测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声波风速风向测量装置及方法，该装置包括四个超声波探头、连接到超声波探头的多路模拟开关以及控制多路模拟开关的微控制器，多路模拟开关连接程序控制增益放大器，程序控制增益放大器连接带通滤波器，带通滤波器的输出连接到检波二极管，检波二极管输出连接到阈值比较器，阈值比较器的输出连接到可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器的驱动信号传递至升压变压器，所述升压变压器输出到所述超声波探头，所述可编程逻辑控制器与所述微控制器连接并互相进行数据通信，所述程序增益控制放大器受所述微控制器的控制。本发明的测量装置具有测量精度高、测量范围宽、抗扰动能力好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及超声波测量领域，特别涉及一种超声波风速风向测量装置及方法。
背景技术
超声波风速仪因无运动结构，越来越多的替代了机械式的风速仪。时差法因算法简单，在超声波风速仪测量风速风向中的使用最为广泛。
普通时差法的测量只对超声波接收的一簇信号的前沿进行阈值比较，获取该点时刻，进行运算。然而现实情况下，因超声波探头的发射角度的限制，接收点波形幅值会出现较大变动，尤其在大风速下，甚至因幅值衰减，无法获取到波形。因此导致测量精度低，测量范围窄，抗扰动能力差。
鉴于此，本发明提供一种超声波风速风向测量装置及方法，以克服上述部分问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波风速风向测量装置及方法，它解决了上述现有技术存在的部分问题。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：该超声波风速风向测量装置，其包括若干超声波探头、连接到所述超声波探头的多路模拟开关以及控制所述多路模拟开关的微控制器，所述多路模拟开关输出端连接程序控制增益放大器，所述程序控制增益放大器的输出连接到带通滤波器，所述带通滤波器的输出连接到检波二极管，所述检波二极管输出连接到阈值比较器，所述阈值比较器的输出连接到可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器的驱动信号传递至升压变压器，所述升压变压器输出到所述超声波探头，所述可编程逻辑控制器与所述微控制器连接并互相进行数据通信，所述程序增益控制放大器受所述微控制器的控制。
若干所述超声波探头依次为安装于同一水平面的第一超声波发射/接收探头、第二超声波发射/接收探头、第三超声波发射/接收探头和第四超声波发射/接收探头，所述第一超声波发射/接收探头与所述第三超声波发射/接收探头相对分布并进行发射接收，所述第二超声波发射/接收探头与所述第四超声波发射/接收探头相对分布并进行发射接收。
所述第一超声波发射/接收探头与第三超声波发射/接收探头之间的垂直距离相等于第二超声波发射/接收探头与第四超声波发射/接收探头的垂直距离。
每进行一次风速、风向值检测，四个所述超声波探头将依次作为发射探头，完成四次飞渡时间检测。
一种超声波风速风向测量方法，包括：
微控制器启动一次飞度时间检测，通知可编程逻辑控制器发送脉冲信号至升压变压器；
转换后的高压提供至第一超声波发射探头并产生发射电信号，发射的超声波能量经空气传播后，第三超声波接收探头接收到振动能量，经换能作用后产生一簇接收电信号；
微控制器控制多路模拟开关选通后，程序控增益放大器按照微控制器设定的放大倍数将输入的发射与接收两簇电信号进行放大，放大后的信号送入带通滤波器滤波，滤波后的信号由检波二极管去除负半波，并经阈值比较器输出两簇方波信号；
可编程逻辑控制器采集两簇方波信号在阈值比较器上的翻转信号，微控制器根据可编程逻辑控制器传递的翻转次数，对发射信号与接收信号进行在线评估与修正，保证发射与接收两簇波形信号都在最佳可采集范围内获取信号特征；
微控制器根据两簇方波信号的峰值点时刻计算出飞渡时间，四个超声波探头分别获取四次飞渡时间，经由微控制器采用时差法计算风速与风向值。
所述微控制器选择四个所述超声波探头中的一个作为发射探头，而与发射探头相对的超声波探头作为接收探头。
所述微控制器根据可编程逻辑控制器传递的翻转次数，对发射信号与接收信号进行在线评估与修正的过程：
发射信号与接收信号的翻转次数一致，则采集两簇方波信号的峰值点时刻，计算一次飞渡时间；
发射信号与接收信号的翻转次数差别大，则由微控制器对发射信号与接收信号改变增益，达到两簇信号的翻转次数一致。
所述发射信号翻转次数大，所述微控制器减小程序控制增益放大器的放大倍数，所述接收信号翻转次数少，所述微控制器增大程序控制增益放大器的放大倍数。
所述阈值比较器的翻转信号包含发射信号的翻转开始时刻、结束时刻、翻转次数以及接收信号的开始时刻、结束时刻与翻转次数，该数据被暂存，控制在一次飞度检测过程完成时读取
与现有技术相比，本发明的超声波风速风向测量装置及方法的有益效果：多路模拟开关后连接的程序控制增益放大器实现同时采集发射与接收两簇信号，并对信号进行放大；经带通滤波器、检波二极管、阈值比较器进行波形信号处理，微控制器对处理后的发射与接收信号在线评估与修正，使得发射与接收两簇波形都在最佳可采集范围内获取信号特征，显著提高测量范围，提高精度和抗扰动能力；微控制器同时采集发射探头与接收探头的波形，计算两波形的时间差，提高精度和抗扰动能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明超声波风速风向测量装置结构原理示意框图；
图2为初始预置增益后程序控制增益放大器输出的收发波形图；
图3为初始预置增益后带通滤波器输出的收发波形图；
图4为初始预置增益后检波二极管输出的收发波形图；
图5为初始预置增益后阈值比较器输出的收发波形图；
图6为重置增益后程序控制增益放大器输出的收发波形图；
图7为重置增益后带通滤波器输出的收发波形图；
图8为重置增益后检波二极管输出的收发波形图；
图9为重置增益后阈值比较器输出的收发波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述，但是应该强调的是，下面的实施方式只是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。
图1为本实施例的超声波风速风向测量装置结构原理示意框图，本实施例的装置包括四个超声波探头及电路板20，该四个超声波探头组成正交结构并通过导线与电路板20连接，具体的，四个超声波探头分别布置于正交的两个轴线上，两两相对，且垂直距离相等，形成正交的两对测量关系。超声波探头，是利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器，探头中的关键部件是晶片，晶片是一个具有压电效应的单晶或者多晶体薄片，它的作用是将电能和声能互相转换。
四个超声波探头依次为安装于同一水平面的第一超声波发射/接收探头11、第二超声波发射/接收探头12、第三超声波发射/接收探头13和第四超声波发射/接收探头14。风速风向装置每进行一次风速、风向值检测，四个超声波探头11、12、13、14将依次作为发射探头，完成四次飞渡时间检测，其中，若采用超声波探头11作为超声波发射探头，与超声波探头11相对的超声波探头13作为超声波接收探头，当进行反向传输时，超声波探头13作为超声波发射探头，超声波探头11作为超声波接收探头
电路板20设置有连接到四个超声波探头的多路模拟开关2，多路模拟开关2输出端连接程序控制增益放大器3，程序控制增益放大器3的输出连接到带通滤波器4，带通滤波器4的输出连接到检波二极管5，检波二极管5输出连接到阈值比较器6，阈值比较器6的输出连接到可编程逻辑控制器7，可编程逻辑控制器7的驱动信号连接到升压变压器8，升压变压器8输出到超声波探头14。
可编程逻辑控制器7与微控制器9连接相互进行数据通信，多路模拟开关2通道的选通与否受微控制器9的控制，程序增益控制放大器3受微控制器9的控制。微控制器9用于对发射与接收信号进行在线评估与修正，使发射与接收两簇波形都在最佳可采集范围内获取信号特征。可编程逻辑控制器7时刻检测微控制器9命令，若开启一次飞度时间检测，可编程逻辑控制器7则发出一簇脉冲信号。微控制器9包括单片机、比例调节器，其控制核心为单片机，负责超声波探头的切换、数据存储和计算；比例调节器负责调整程序增益控制放大器3的放大倍数。
本实施例的超声波风速风向测量方法，其步骤包括：
步骤S1,微控制器9启动一次飞度时间检测，通知可编程逻辑控制器7，可编程逻辑控制器7的发生模块发送一簇占空比逐步递减的脉冲信号传至升压变压器8。
步骤S2,升压变压器8将转换后的高压提供至超声波探头14，超声波探头14受到高压脉冲激励产生振动，产生一簇发射电信号，发射的超声波能量经过空气传播后，超声波接收探头12接收到振动能量，经换能作用后产生一簇接收电信号，具体的，微控制器9选择四个超声波探头中的一个作为发射探头，而与发射探头相对的超声波探头将作为接收探头。
本步骤中，选择超声波探头14为发射探头，与超声波探头14相对的超声波探头12作为接收探头，此时超声波探头11、13被隔离。
步骤S3,微控制器9控制多路模拟开关2选通后，设置程序控制增益放大器3的放大倍数，程序控增益放大器3按照设定放大倍数将输入的发射与接收两簇电信号放大，图2示出程序控增益放大器3输出的发射与接收两簇放大波形信号，其中X轴为时间，Y轴为电压幅值，具体的，微控制器9根据选择的发射探头设置程序控制增益放大器3的放大倍数。
步骤S4，放大后的波形信号输入带通滤波器4滤波，滤波后的正弦波形信号由检波二极管5去除负半波，输出正半波信号，具体的，滤波后的正弦波形信号参见图3，正半波信号参见图4。
步骤S5，正半波信号经过阈值比较器6输出两簇方波信号如图5，两簇方波信号而后隔离送入可编程逻辑控制器7中，具体的，可编程逻辑控制器7监测阈值比较器6信号的翻转情况，直到接收到微控制器9通知监测结束，阈值比较器6输出信号包含发射信号的翻转开始时刻、结束时刻、翻转次数以及接收信号的开始时刻、结束时刻与翻转次数，该数据被暂存，可控为控制在一次飞度检测过程完成时读取。
由图5可知，发射信号51经过阈值比较器6后，翻转次数过多，翻转的开始到结束经历的时间较长，不利于计算峰值时刻点，将带来很大的误差，幅值更多时则可能发生发送信号饱和失真风险；而接收信号52翻转次数过少，若信号幅值更小，将可能出现信号丢失无法采集的风险。
步骤S6,微控制器9从可编程逻辑控制器7中获取发射探头和接收探头的翻转开始与结束的时刻点以及信号翻转次数，并根据信号翻转次数，对发射信号51与接收信号52分别改变增益。
本步骤中，微控制器9评估发射信号和接收信号的翻转次数，由图5可知，发射信号51翻转次数大，则应减小程序控制增益放大器3的放大倍数，接收信号52翻转次数少，则应增大程序控制增益放大器3的放大倍数。
步骤S7，重置增益后，程序控制增益放大器3输出预放大信号如图6。
步骤S8，预放大信号输入带通滤波器4滤波，滤波后得到的正弦信号由检波二极管5去除负半波，输出正半波信号，具体的，图7示出正弦信号，正半波信号参见图8。
步骤S9，正半波信号经过阈值比较器6送入可编程逻辑控制器7中，图9为阈值比较器6输出的两簇方波信号，由图9可知，经过重置发射信号91与接收信号92的增益，阈值比较器6输出到可编程逻辑控制器7的信号的翻转次数基本达到一致，且与初始预置增益的信号比较，降低了发射信号的饱和失真风险，以及接收信号丢失而无法采集的风险。两簇信号都在最佳采样幅值上，为实现两簇信号的采集而实现时差计算风速提供了可控保证。
步骤S10,可编程逻辑控制器7高速采集发射与接收的两簇信号的在阈值比较器6上的翻转信号，交由单片机计算出两簇信号的峰值点时刻，两峰值时刻点的时间差即为一次飞渡时间。
步骤S11,超声波探头11、12、13依次重复上述过程，最终获取四次飞渡时间，单片机采用时差法计算风速与风向值，具体的，单片机计算超声波探头14、超声波探头12的往返飞渡时间差以及超声波探头11、超声波探头13的往返飞渡时间差，经过数据处理计算获得正交方向上的风速，经过三角计算合成水平面上的风速和风向值。
当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求的范围内。
Claims (9)
1.一种超声波风速风向测量装置，其特征在于，其包括若干超声波探头、连接到所述超声波探头的多路模拟开关以及控制所述多路模拟开关的微控制器，所述多路模拟开关输出端连接程序控制增益放大器，所述程序控制增益放大器的输出连接到带通滤波器，所述带通滤波器的输出连接到检波二极管，所述检波二极管输出连接到阈值比较器，所述阈值比较器的输出连接到可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器的驱动信号传递至升压变压器，所述升压变压器输出到所述超声波探头，所述可编程逻辑控制器与所述微控制器连接并互相进行数据通信，所述程序增益控制放大器受所述微控制器的控制。
2.如权利要求1所述的超声波风速风向测量装置，其特征在于，若干所述超声波探头依次为安装于同一水平面的第一超声波发射/接收探头、第二超声波发射/接收探头、第三超声波发射/接收探头和第四超声波发射/接收探头，所述第一超声波发射/接收探头与所述第三超声波发射/接收探头相对分布并进行发射接收，所述第二超声波发射/接收探头与所述第四超声波发射/接收探头相对分布并进行发射接收。
3.如权利要求2所述的超声波风速风向测量装置，其特征在于，所述第一超声波发射/接收探头与第三超声波发射/接收探头之间的垂直距离相等于第二超声波发射/接收探头与第四超声波发射/接收探头的垂直距离。
4.如权利要求3所述的超声波风速风向测量装置，其特征在于，每进行一次风速、风向值检测，四个所述超声波探头将依次作为发射探头，完成四次飞渡时间检测。
5.一种超声波风速风向测量方法，其包括权利要求1至4中任意一项的风速风向装置，其特征在于,包括：
微控制器启动一次飞度时间检测，通知可编程逻辑控制器发送脉冲信号至升压变压器；
转换后的高压提供至第一超声波发射探头并产生发射电信号，发射的超声波能量经空气传播后，第三超声波接收探头接收到振动能量，经换能作用后产生一簇接收电信号；
微控制器控制多路模拟开关选通后，程序控增益放大器按照微控制器设定的放大倍数将输入的发射与接收两簇电信号进行放大，放大后的信号送入带通滤波器滤波，滤波后的信号由检波二极管去除负半波，并经阈值比较器输出两簇方波信号；
可编程逻辑控制器采集两簇方波信号在阈值比较器上的翻转信号，微控制器根据可编程逻辑控制器传递的翻转次数，对发射信号与接收信号进行在线评估与修正，保证发射与接收两簇波形信号都在最佳可采集范围内获取信号特征；
微控制器根据两簇方波信号的峰值点时刻计算出飞渡时间，四个超声波探头分别获取四次飞渡时间，经由微控制器采用时差法计算风速与风向值。
6.如权利要求5所述的超声波风速风向测量方法，其特征在于，所述微控制器选择四个所述超声波探头中的一个作为发射探头，而与发射探头相对的超声波探头作为接收探头。
7.如权利要求5所述的超声波风速风向测量方法，其特征在于，所述微控制器根据可编程逻辑控制器传递的翻转次数，对发射信号与接收信号进行在线评估与修正的过程：
发射信号与接收信号的翻转次数一致，则采集两簇方波信号的峰值点时刻，计算一次飞渡时间；
发射信号与接收信号的翻转次数差别大，则由微控制器对发射信号与接收信号改变增益，达到两簇信号的翻转次数一致。
8.如权利要求7所述的超声波风速风向测量方法，其特征在于，所述发射信号翻转次数大，所述微控制器减小程序控制增益放大器的放大倍数，所述接收信号翻转次数少，所述微控制器增大程序控制增益放大器的放大倍数。
9.如权利要求8所述的超声波风速风向测量方法，其特征在于，所述阈值比较器的翻转信号包含发射信号的翻转开始时刻、结束时刻、翻转次数以及接收信号的开始时刻、结束时刻与翻转次数，该数据被暂存，控制在一次飞度检测过程完成时读取。
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