CN109425752A - 超声波风速测量装置 - Google Patents

超声波风速测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种超声波风速测量装置，包含一座体与至少一测量单元，该座体包含至少一通风空间，该至少一测量单元对应设置在该至少一通风空间，且包含多超声波感测件与一超声波发射件，该多超声波感测件围绕一中心点，各该超声波感测件包含多微机电换能器，该超声波发射件的位置对应于该中心点，且包含多微机电换能器；该超声波发射件的微机电换能器与各该超声波感测件的微机电换能器具有相同的结构。

Description

超声波风速测量装置
技术领域
本发明是有关一种测量装置，特别是指超声波风速测量装置。
背景技术
风速计是用来测量风速的装置，现有风速计包含扇叶型风速计，其结构主要包含一可转动的扇叶，该扇叶被风吹动而转动，通过测量该扇叶的转速，即可供推算一风速。市面上亦有超声波风速计，利用超声波换能器之间的声波飞行时间(time of flight,TOF)来测量风速，超声波风速计优点是分辨率高，并可测量1维度(dimension)，2维度或3维度的风速，其超声波换能器之间距离通常为10～20公分。
将风速计的体积微型化，可让风速计的应用层面更为广泛，但是现有风速计在体积微型化的过程中遭受瓶颈。举例来说，现有扇叶型风速计的扇叶需具备一定受风面积，才可有效地被风吹动而转动，此外，为了供该扇叶转动，是将该扇叶枢接在一座体，并需提供可让扇叶转动的空间。如此一来，扇叶与座体皆占据一定体积，导致微型化的效果受到限制。而现有超声波风速计并非使用半导体或微机电制程制作，导致在尺寸尚无法有效的微型化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种超声波风速测量装置，具有微机电技术制造的结构，达到体积微型化的功效。
本发明超声波风速测量装置的特征在于，包含：
一座体，包含至少一通风空间；以及
至少一测量单元，对应设置在该至少一通风空间，包含：
多超声波感测件，围绕一中心点，各该超声波感测件包含多微机电换能器；以及
一超声波发射件，其位置对应于该中心点，该超声波发射件包含多微机电换能器；该超声波发射件的微机电换能器与各该超声波感测件的微机电换能器具有相同的结构。
如前所述的超声波风速测量装置，该至少一通风空间为一通风空间，该至少一测量单元为一测量单元；该座体包含：一基座，具有一设置面；以及一反射板，与该基座形成相对设置，而与该基座之间形成该通风空间，该反射板具有一反射面，该反射面面对该基座的设置面；该多超声波感测件与该超声波发射件设置在该基座的设置面，且该超声波发射件位于该多超声波感测件的中间。
如前所述的超声波风速测量装置，该至少一通风空间包含三个通风空间，该至少一测量单元包含三个测量单元，该三个测量单元分别设置在该三个通风空间；该座体包含：一基座，具有三个设置面，该三个设置面彼此垂直而面向不同方向；以及三个反射板，分别与该基座的该三个设置面形成相对设置，而分别与该基座之间形成该三个通风空间，各该反射板具有一反射面，该反射面面对各该设置面；于各该测量单元中，该多超声波感测件与该超声波发射件设置在该基座的各该设置面，且该超声波发射件位于该多超声波感测件的中间。
如前所述的超声波风速测量装置，该至少一通风空间为一通风空间，该至少一测量单元为一测量单元；该座体包含：一第一基座，包含一第一设置面与相对于该第一设置面的一第一弧凸面；一第二基座，与该第一基座形成相对设置，而与该第一基座之间形成该通风空间，该第二基座包含一第二设置面与相对于该第二设置面的一第二弧凸面，该第二设置面面对该第一设置面；该多超声波感测件设置在该第一基座的第一设置面；该超声波发射件设置在该第二基座的第二设置面，且对应于该多超声波感测件的中间。
如前所述的超声波风速测量装置，各该微机电换能器是压电式换能器。
如前所述的超声波风速测量装置，各该微机电换能器是电容式换能器，所述电容式换能器包含：一下电极层，设置于该座体；一边墙，设置于该座体；一可振荡膜，设置于该边墙，该下电极层、该边墙与该可振荡膜之间形成一空间；以及一上电极层，设置于该可振荡膜的顶面。
如前所述的超声波风速测量装置，各该超声波感测件的微机电换能器排列成扇形结构，该超声波发射件的微机电换能器排列成圆形结构。
如前所述的超声波风速测量装置，各该超声波感测件的微机电换能器排列成方形结构，该超声波发射件的微机电换能器排列成圆形结构。
如前所述的超声波风速测量装置，各该超声波感测件的微机电换能器排列成方形结构，该超声波发射件的微机电换能器排列成方形结构。
如前所述的超声波风速测量装置，各该超声波感测件的微机电换能器排列成四分之一圆形结构，该超声波发射件的微机电换能器排列成圆形结构。
本发明采用微机电技术制造，例如本发明可将超声波感测件与超声波发射件之间的距离缩小至1公分以下，故大幅减少体积，让本发明超声波风速测量装置的体积微型化，而具有小尺寸、重量轻、价格低的优势，可大量应用在气候监视与环境监视，本发明应用范围广泛，举例来说，本发明可应用在天气预测或环境监控，例如在当地即时测量台风、瞬间强风、沙尘暴或辅助空气中悬浮微粒(例如PM2.5)的监测及趋势预测；本发明可应用在风力发电厂的风况测量；本发明可应用在通风设备、暖气设备或空调设备等。
附图说明
图1：本发明超声波风速测量装置的第一实施例的立体外观示意图。
图2：本发明超声波风速测量装置的第一实施例的平面示意图。
图3：图1的A-A剖面示意图。
图4：本发明超声波风速测量装置的第二实施例的剖面示意图。
图5：本发明超声波风速测量装置的第三实施例的剖面示意图。
图6：本发明超声波风速测量装置的微机电换能器的平面示意图。
图7：本发明超声波风速测量装置的第四实施例的平面示意图。
图8：本发明超声波风速测量装置的第五实施例的立体外观示意图。
图9：本发明超声波风速测量装置的第五实施例的平面示意图。
图10：图8的B-B剖面示意图。
图11：图8的C-C剖面示意图。
图12：本发明超声波风速测量装置与风的示意图。
图13：本发明每一个超声波感测件利用飞行时间法在各角度的测量结果。
图14：本发明中每一个超声波感测件利用振幅法在各角度的测量结果。
图15：本发明超声波风速测量装置利用飞行时间法在各角度的测量结果。
图16：本发明超声波风速测量装置利用振幅法在各角度的测量结果。
图17：本发明超声波风速测量装置的飞行时间法风速测量值与实际风速的关系图。
图18：本发明超声波风速测量装置的振幅法振幅测量值与实际风速的关系图。
附图标记说明：
10 座体
100 通风空间
11 基座
110 设置面
12 反射板
120 反射面
13 支撑柱
14 第一基座
141 第一设置面
142 第一弧凸面
15 第二基座
151 第二设置面
152 第二弧凸面
16 支撑柱
20 测量单元
200 中心点
21 超声波感测件
210 微机电换能器
211 第一超声波感测件
212 第二超声波感测件
213 第三超声波感测件
214 第四超声波感测件
22 超声波发射件
220 微机电换能器
30 微机电换能器
300 空间
31 下电极层
32 边墙
33 可振荡膜
34 上电极层
40 风。
具体实施方式
以下配合附图及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
请参考图1至图3，本发明超声波风速测量装置包含一座体10与至少一测量单元20，该座体10包含至少一通风空间100，该至少一测量单元20对应设置在该至少一通风空间100且包含多超声波感测件21与一超声波发射件22，该多超声波感测件21围绕一中心点200，各该超声波感测件21包含多微机电换能器210，该超声波发射件22的位置对应于该中心点200，该超声波发射件22包含多微机电换能器220。
在本发明的第一实施例中，该至少一通风空间100为单一个通风空间100，该至少一测量单元20为单一个测量单元20，该测量单元20对应设置在该通风空间100。该座体10包含一基座11、一反射板12与多支撑柱13，该基座11具有一设置面110，该设置面110可为一平面。支撑柱13连接在该基座11与该反射板12之间，使该反射板12与该基座11形成相对设置，且使该反射板12与该基座11之间形成该通风空间100，该反射板12具有一反射面120，该反射面120可为一平面，如图2所示，该反射面120面对该基座11的设置面110。该多超声波感测件21与该超声波发射件22设置在该基座11的设置面110，且彼此隔开而未连接，该超声波发射件22位于该多超声波感测件21的中间。
如图3所示，在第一实施例中，包含四个超声波感测件21，各该超声波感测件21的微机电换能器210排列成扇形结构，且环绕在该中心点200的外侧，该超声波发射件22的微机电换能器220排列成圆形结构，其圆心位置对应于该中心点200。如图4所示的第二实施例，各该超声波感测件21的微机电换能器210排列成方形结构，该超声波发射件22的微机电换能器220排列成圆形结构，其圆心位置对应于该中心点200。如图5所示的第三实施例，各该超声波感测件21的微机电换能器210排列成方形结构，该超声波发射件22的微机电换能器220排列成方形结构，其中心位置对应于该中心点200。
在本发明中，该超声波发射件22的微机电换能器220与各该超声波感测件21的微机电换能器210具有相同的结构，举例来说，所述微机电换能器210、220可为压电式换能器，或为电容式换能器，或请参考图6，在本发明的实施例中，各该微机电换能器30为电容式换能器且包含一下电极层31、一边墙32、一可振荡膜33与一上电极层34。该下电极层31设置于该座体10的表面，该边墙32设置于该座体10上，而如图6所示，该边墙32可设置在该下电极层31的外侧，该可振荡膜33设置于该边墙32上，使该下电极层31、该边墙32与该可振荡膜33之间形成一空间300，该空间300可供该可振荡膜33产生振荡，该上电极层34设置于该可振荡膜33的顶面(即：相对于该空间300的另一表面)。
该超声波发射件22的微机电换能器220中，其下电极层31与上电极层34可电连接一驱动装置(图中未示)，由该驱动装置对下电极层31与上电极层34施以交流驱动电压，可驱动该可振荡膜33进行高频振荡，进而产生一超声波，该超声波通过该通风空间100而传递到该反射板12的反射面120而反射，反射的超声波再通过该通风空间100而可被该多超声波感测件21所感测到，由一测量装置(图中未示)接收该多超声波感测件21的反射信号。因为超声波是由空气当作传播媒介，当有气流流动时，超声波的传播速度也随着改变。所以，可利用振幅法根据该多超声波感测件21所感测到反射信号的振幅，或利用飞行时间(TOF)法根据该超声波的发出时间点与反射信号的接收时间点，可供判断风速与风向。另一方面，本发明具有多超声波感测件21，其产生的多反射信号而可供执行差动运算，让风速的判断更准确。
若图1所示的实施例是测量一个维度的风向，请参考图7所示的第四实施例，可测量多维度的风向，在第三实施例中，该座体10的基座具有三个设置面110，该三个设置面110彼此垂直而面向不同方向，举例来说，该三个设置面110可分别面向直角座标系统的X轴方向、Y轴方向与Z轴方向。该座体10包含有三个反射板12，分别与该三个设置面110形成相对设置，而分别与该基座之间形成三个通风空间100，各该反射板12具有一反射面120，各该反射面120面对各该设置面110。该至少一测量单元包含三个测量单元20，该三个测量单元20分别设置在该三个通风空间100。于各该测量单元20中，该多超声波感测件21与该超声波发射件22设置在该基座的各该设置面110，且该超声波发射件22在该多超声波感测件21的中间。所以，第三实施例的三个测量单元20可分别测量三个维度的风向。
请参考图8至图11所示的第五实施例，该座体10包含一第一基座14、一第二基座15与多支撑柱16，该第一基座14包含一第一设置面141与相对于该第一设置面141的一第一弧凸面142，该第二基座15包含一第二设置面151与相对于该第二设置面151的一第二弧凸面152，其中，该第一设置面141与该第二设置面151可分别为平面，该第一弧凸面142与该第二弧凸面152可分别为半圆弧凸面。支撑柱16连接在该第一基座14的第一设置面141与第二基座15的第二设置面151之间，使该第二基座15与该第一基座14形成相对设置，且该第二基座15与该第一基座14之间形成该通风空间100。该测量单元的多超声波感测件21设置在该第一基座14的第一设置面141，该超声波发射件22设置在该第二基座15的第二设置面151，各该超声波感测件21的微机电换能器210排列成扇形结构，且环绕在该中心点200的外侧，该超声波发射件22的微机电换能器220排列成圆形结构，其圆心位置对应于该中心点200。
在第五实施例中，该多超声波感测件21与该超声波发射件22形成相对设置，风可以在该多超声波感测件21与该超声波发射件22之间的通风空间100流通，该超声波发射件22所产生的超声波可直接传递到该多超声波感测件21，通过该第一弧凸面142与该第二弧凸面152的结构，让风可沿着弧凸面流动，而可降低风阻，并有让风在该通风空间100汇流的作用。
所述微机电换能器210、220、30是由微机电技术(Micro Electro MechanicalSystem,MEMS)制作而成的构件，图1所示的座体10的整体长、宽、高可分别为15mm(毫米)、15mm、10mm，图7所示的座体10的整体长、宽、高可分别为25mm、25mm、25mm，而为微型化结构。第一实施例的测量单元20的整体直径可低于10mm，且该测量单元20与该反射面120的距离可低于10mm，各该超声波接收件21可由512个微机电换能器210排列构成，该超声波发射件22可由526个微机电换能器220排列构成，更具体来说，该超声波发射件22的直径可为3mm，测量单元20的整体直径可为7.1mm，该可振荡膜33的直径可为143μm(微米)，其振荡频率可为0.87MHz。在环境温度为摄氏25度的条件下，该测量单元20与该反射面120的距离缩小为5mm时，本发明的风速测量能力可达到每秒至少60公尺。
以下说明图2的实施例在测量单元20与反射面120的距离为10mm及风速为10m/s状况下进行测量试验，请配合参考图12，举例来说，该基座11的设置面110为X-Y平面，该基座11可设置在一旋转平台，且该基座11可以Z轴为轴心转动，所述超声波感测件包含第一超声波感测件211、第二超声波感测件212、第三超声波感测件213与第四超声波感测件214。超声波感测件211～214以图12的态样为初始态样，进行测量试验时，图12所示的基座11以逆时钟方向转动，而风40是固定从-X朝+X方向流动，其中该基座11每次旋转15°并测量各该超声波感测件21的信号，直到完成从0°至360°的旋转。
请参考图13为利用飞行时间法的测量结果以及图14为利用振幅法的测量结果，可见每一个超声波感测件211～214在基座11不同旋转角度时的测量结果也会不同，并且分别沿着相位相差90度的弦波趋势而改变。请参考图15为利用飞行时间法的测量结果以及图16为利用振幅法的测量结果，可见该基座11在各种旋转角度时所测量到的风速均接近10m/s。需说明的是，图13～图16显示的正值与负值反映风40与基座11的相对方向性。请参考图17为飞行时间法风速测量值(x)与实际风速(y)的关系，其线性趋势线可表示为y＝1.0112x-0.337，且该驱势线的平方平均数为R2＝0.9991，其中当R2的数值越趋近于1，表示趋势线与测量值得拟合程度高，可靠性相对越高。另图18为振幅法振幅测量值(x')与实际风速(y')的关系，其线性趋势线可表示为y'＝0.0806x'-0.1348，该驱势线的平方平均数为R2＝0.9978。本发明实施例在风速为1m/s到10m/s的风向误差为±2度，风速误差为±1％。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种超声波风速测量装置，其特征在于，包含：
一座体，包含至少一通风空间；以及
至少一测量单元，对应设置在该至少一通风空间，包含：
多超声波感测件，围绕一中心点，各该超声波感测件包含多微机电换能器；以及
一超声波发射件，其位置对应于该中心点，该超声波发射件包含多微机电换能器；该超声波发射件的微机电换能器与各该超声波感测件的微机电换能器具有相同的结构。
2.根据权利要求1所述的超声波风速测量装置，其特征在于，该至少一通风空间为一通风空间，该至少一测量单元为一测量单元；
该座体包含：
一基座，具有一设置面；以及
一反射板，与该基座形成相对设置，而与该基座之间形成该通风空间，该反射板具有一反射面，该反射面面对该基座的设置面；
该多超声波感测件与该超声波发射件设置在该基座的设置面，且该超声波发射件位于该多超声波感测件的中间。
3.根据权利要求1所述的超声波风速测量装置，其特征在于，该至少一通风空间包含三个通风空间，该至少一测量单元包含三个测量单元，该三个测量单元分别设置在该三个通风空间；
该座体包含：
一基座，具有三个设置面，该三个设置面彼此垂直而面向不同方向；以及
三个反射板，分别与该基座的该三个设置面形成相对设置，而分别与该基座之间形成该三个通风空间，各该反射板具有一反射面，该反射面面对各该设置面；
于各该测量单元中，该多超声波感测件与该超声波发射件设置在该基座的各该设置面，且该超声波发射件位于该多超声波感测件的中间。
4.根据权利要求1所述的超声波风速测量装置，其特征在于，该至少一通风空间为一通风空间，该至少一测量单元为一测量单元；
该座体包含：
一第一基座，包含一第一设置面与相对于该第一设置面的一第一弧凸面；
一第二基座，与该第一基座形成相对设置，而与该第一基座之间形成该通风空间，该第二基座包含一第二设置面与相对于该第二设置面的一第二弧凸面，该第二设置面面对该第一设置面；
该多超声波感测件设置在该第一基座的第一设置面；
该超声波发射件设置在该第二基座的第二设置面，且对应于该多超声波感测件的中间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波风速测量装置，其特征在于，各该微机电换能器是压电式换能器。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波风速测量装置，其特征在于，各该微机电换能器是电容式换能器，所述电容式换能器包含：
一下电极层，设置于该座体；
一边墙，设置于该座体；
一可振荡膜，设置于该边墙，该下电极层、该边墙与该可振荡膜之间形成一空间；以及
一上电极层，设置于该可振荡膜的顶面。
7.根据权利要求2或3所述的超声波风速测量装置，其特征在于，各该超声波感测件的微机电换能器排列成扇形结构，该超声波发射件的微机电换能器排列成圆形结构。
8.根据权利要求2或3所述的超声波风速测量装置，其特征在于，各该超声波感测件的微机电换能器排列成方形结构，该超声波发射件的微机电换能器排列成圆形结构。
9.根据权利要求2或3所述的超声波风速测量装置，其特征在于，各该超声波感测件的微机电换能器排列成方形结构，该超声波发射件的微机电换能器排列成方形结构。
10.根据权利要求4所述的超声波风速测量装置，其特征在于，各该超声波感测件的微机电换能器排列成四分之一圆形结构，该超声波发射件的微机电换能器排列成圆形结构。
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