CN109991441B - 一种风向风速仪的自动校准方法 - Google Patents

一种风向风速仪的自动校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风向风速仪的自动校准方法，属于传感器技术领域，包括建立超声波风向风速传感器，超声波风向风速传感器包括支管、换能器、支撑管和控制单元，环绕支管顶端依次间隔均布固设有四根支撑管，每根支撑管的顶端均设有一个换能器、底端固定连接所述支管，支撑管与支管连通，在无风环境下对超声波风向风速传感器进行自测，并存储修正补偿参数，解决了传统方案中安装精度要求高，测量误差大的技术问题，当分布的换能器距离或角度偏差时，本发明能够根据偏差的大小进行校正，并将校正值保存在收发单元的内部存储器中，在保证测量精度的前提下进一步优化系统，提升系统的适应性和生产高度效率。

Description

一种风向风速仪的自动校准方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，尤其涉及一种风向风速仪的自动校准方法。
背景技术
超声波风速风向仪是利用超声波在空气中传输的时候，受空气流动的影响会产生一定的速度偏差这一原理来检测空气中的风速。通过至少两组不同方向的发射接收单元，可计算出风速的矢量值，即风速大小和风力方向。
授权公告号为CN202372525U的专利“一种船用风速风向测量装置”中详细披露了这种超声波风向风速仪的技术思路和实现方法。其中依靠互为正交的两组换能器，发射并接收对侧换能器发射的信号，根据延时计算出流动的空气对超声波速度的影响，从而计算出单个方向的风速。再根据得到的互为垂直的两个方向的速度计算出风速值和风向角度。原方案中对于换能器安装的间距和角度要求较高。发射接收单元的距离以及他们分布的角度与测量的数据有直接的关系，安装的误差会带来原始测量的误差，通过矢量运算会进一步放大这种误差，从而降低整个系统的测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种风向风速仪的自动校准方法，解决了传统方案中安装精度要求高，测量误差大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种风向风速仪的自动校准方法，包括如下步骤：
步骤1：建立超声波风向风速传感器，超声波风向风速传感器包括支管、换能器、支撑管和控制单元，环绕支管顶端依次间隔均布固设有四根支撑管，每根支撑管的顶端均设有一个换能器、底端固定连接所述支管，支撑管与支管连通，
其中两个换能器为前后正对设置，另外两个换能器为左右正对设置，设定经过前后正对两换能器内端的圆形线为圆形线A，设定经过左右正对两换能器内端的圆形线为圆形线B；控制单元设于支管内，所有换能器均通过导线与控制单元电连接；
控制单元包括主控芯片、存储器和通信芯片，主控芯片用于读取换能器的接收信号的时间，通信芯片和存储器均与主控芯片电连接，存储器芯片用于存储换能器的接收信号的时间，通信芯片用于与上位机通信；
步骤2：将超声波风向风速传感器放置于无风密室中，控制单元测量四个换能器接收信号的时间；
设定前后正对设置的两个换能器接收信号的时间为T1，设定左右正对设置的两个换能器接收信号的时间为T2；
步骤3：对控制单元供电，通过上位机设置控制单元进入自测模式；
步骤4：超声波风向风速传感器得到供电后工作，控制单元存储T1和T2；
步骤5：控制单元比较T1和T2的大小，并计算补偿时间参数ΔT，补偿时间参数ΔT为T1和T2差值的绝对值；
控制单元存储补偿时间参数ΔT；
步骤6：正常测量风速时，将超声波风向风速传感器放置在测量地点，并对控制单元供电，通过上位机控制控制单元进入测量模式；
步骤7：控制单元测量四个换能器接收信号的时间，设定此时测量的结果为：设定前后正对设置的两个换能器接收信号的时间为T3，设定左右正对设置的两个换能器接收信号的时间为T4；
设定以T3为基准，对左右正对设置的两个换能器接收信号的时间T4进行校正，设定校正值为T5，T5为T4与ΔT的差值的绝对值；
步骤8：将T3和T5作为实际测量值进行矢量速度计算，从而获得风速和风向。
优选的，所述主控芯片为ARM9控制器，存储器为FLASH存储器，通信芯片为485通信芯片，FLASH存储器和485通信芯片均通过IO口与ARM9控制器电连接。
优选的，所述控制单元设于一线路板上，线路板固设于所述支管内。
优选的，所述矢量速度计算包括如下步骤：
步骤S1：根据前后正对设置的两个换能器接收信号的时间T3和前后正对设置的两个换能器之间的距离L1计算出速度V2，设定速度V2为Y轴方向上的风速；
根据左右正对设置的两个换能器接收信号的时间T5和左右正对设置的两个换能器之间的距离L2计算出速度V1，设定速度V1为X轴方向上的风速；
步骤S2：根据V1和V2进行矢量计算，获得矢量风速V。
本发明所述的一种风向风速仪的自动校准方法，解决了传统方案中安装精度要求高，测量误差大的技术问题，当分布的换能器距离或角度偏差时，本发明能够根据偏差的大小进行校正，并将校正值保存在收发单元的内部存储器中，在保证测量精度的前提下进一步优化系统，提升系统的适应性和生产高度效率。
附图说明
图1为本发明的自测模式流程图；
图2为本发明的测量模式流程图；
图3为本发明的超声波风向风速传感器的结构示意图的立体图；
图4为本发明的超声波风向风速传感器的结构示意图的俯视图；
图5为理论上4个换能器的位置数学模型；
图6为实际上4个换能器的位置数学模型。
具体实施方式
由图1-图6所示的一种风向风速仪的自动校准方法，包括如下步骤：
步骤1：建立超声波风向风速传感器，超声波风向风速传感器包括支管、换能器、支撑管和控制单元，环绕支管顶端依次间隔均布固设有四根支撑管，每根支撑管的顶端均设有一个换能器、底端固定连接所述支管，支撑管与支管连通，支管顶端管壁设有四个壁孔，四根支撑管的底端口分别与四个壁孔相对应并相连通
四个换能器位于同一平面内，即四个换能器等高，其中两个换能器为前后正对设置，另外两个换能器为左右正对设置，设定换能器的靠近支管竖直中心线的一端为其内端，设定经过前后正对两换能器内端的圆形线为圆形线A，设定经过左右正对两换能器内端的圆形线为圆形线B；圆形线A和圆形线B位于同一平面内；
控制单元设于支管内，所有换能器均通过导线与控制单元电连接；
控制单元包括主控芯片、存储器和通信芯片，主控芯片用于读取换能器的接收信号的时间，通信芯片和存储器均与主控芯片电连接，存储器芯片用于存储换能器的接收信号的时间，通信芯片用于与上位机通信；
步骤2：将超声波风向风速传感器放置于无风密室中，控制单元测量四个换能器接收信号的时间；
设定前后正对设置的两个换能器接收信号的时间为T1，设定左右正对设置的两个换能器接收信号的时间为T2；
步骤3：对控制单元供电，通过上位机设置控制单元进入自测模式；
步骤4：超声波风向风速传感器得到供电后工作，控制单元存储T1和T2；
步骤5：控制单元比较T1和T2的大小，并计算补偿时间参数ΔT，补偿时间参数ΔT为T1和T2差值的绝对值；
控制单元存储补偿时间参数ΔT；
步骤6：正常测量风速时，将超声波风向风速传感器放置在测量地点，并对控制单元供电，通过上位机控制控制单元进入测量模式；
步骤7：控制单元测量四个换能器接收信号的时间，设定此时测量的结果为：设定前后正对设置的两个换能器接收信号的时间为T3，设定左右正对设置的两个换能器接收信号的时间为T4；
设定以T3为基准，对左右正对设置的两个换能器接收信号的时间T4进行校正，设定校正值为T5，T5为T4与ΔT的差值的绝对值；
步骤8：将T3和T5作为实际测量值进行矢量速度计算，从而获得风速和风向。
优选的，所述主控芯片为ARM9控制器，存储器为FLASH存储器，通信芯片为485通信芯片，FLASH存储器和485通信芯片均通过IO口与ARM9控制器电连接。
优选的，所述控制单元设于一线路板上，线路板固设于所述支管内。
优选的，所述矢量速度计算包括如下步骤：
步骤S1：根据前后正对设置的两个换能器接收信号的时间T3和前后正对设置的两个换能器之间的距离L1计算出速度V2，设定速度V2为Y轴方向上的风速；
根据左右正对设置的两个换能器接收信号的时间T5和左右正对设置的两个换能器之间的距离L2计算出速度V1，设定速度V1为X轴方向上的风速；
步骤S2：根据V1和V2进行矢量计算，获得矢量风速V。
理论上，四个换能器应置于同一水平面，且分布在一个同心圆Q上，如图5所示，水平速度V1与垂直速度V2，通过矢量计算后得到实际的风速和风向，以V(act)表示，那么：
V(act)＝Sqr(V1×V1+V2×V2)；
但实际装配中有可能会产生一定的偏差，如图6所示，距离的偏差造成计算风速和风向时偏差。测量到的速度以V(det)表示；
假定水平方向的安装距离减少，造成其速度增加，以△V1表示，则
V(det)＝Sqr((V1+△V1)×(V1+△V1)+V2×V2)＝V(act)+△V；
其中△V就是因为不在同心圆上的换能器产生的测量风速误差。
本发明先将换能器放置在一个封闭无风的环境中，分别记录水平方向的信号接收时间T1和垂直方向的信号接收时间T2。比较T1与T2后，对其中的一个参数进行补偿得到ΔT，并通过ΔT修正测量结果，加大的减小了测量误差，提高了精度。
本发明所述的一种风向风速仪的自动校准方法，解决了传统方案中安装精度要求高，测量误差大的技术问题，当分布的换能器距离或角度偏差时，本发明能够根据偏差的大小进行校正，并将校正值保存在收发单元的内部存储器中，在保证测量精度的前提下进一步优化系统，提升系统的适应性和生产高度效率。

Claims (4)

1.一种风向风速仪的自动校准方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立超声波风向风速传感器，超声波风向风速传感器包括支管、换能器、支撑管和控制单元，环绕支管顶端依次间隔均布固设有四根支撑管，每根支撑管的顶端均设有一个换能器、底端固定连接所述支管，支撑管与支管连通；
其中两个换能器为前后正对设置，另外两个换能器为左右正对设置，设定经过前后正对两换能器内端的圆形线为圆形线A，设定经过左右正对两换能器内端的圆形线为圆形线B；控制单元设于支管内，所有换能器均通过导线与控制单元电连接；
控制单元包括主控芯片、存储器和通信芯片，主控芯片用于读取换能器的接收信号的时间，通信芯片和存储器均与主控芯片电连接，存储器芯片用于存储换能器的接收信号的时间，通信芯片用于与上位机通信；
步骤2：将超声波风向风速传感器放置于无风密室中，控制单元测量四个换能器接收信号的时间；
设定前后正对设置的两个换能器接收信号的时间为T1，设定左右正对设置的两个换能器接收信号的时间为T2；
步骤3：对控制单元供电，通过上位机设置控制单元进入自测模式；
步骤4：超声波风向风速传感器得到供电后工作，控制单元存储T1和T2；
步骤5：控制单元比较T1和T2的大小，并计算补偿时间参数ΔT，补偿时间参数ΔT为T1和T2差值的绝对值；
控制单元存储补偿时间参数ΔT；
步骤6：正常测量风速时，将超声波风向风速传感器放置在测量地点，并对控制单元供电，通过上位机控制控制单元进入测量模式；
步骤7：控制单元测量四个换能器接收信号的时间，设定此时测量的结果为：设定前后正对设置的两个换能器接收信号的时间为T3，设定左右正对设置的两个换能器接收信号的时间为T4；
设定以T3为基准，对左右正对设置的两个换能器接收信号的时间T4进行校正，设定校正值为T5，T5为T4与ΔT的差值的绝对值；
步骤8：将T3和T5作为实际测量值进行矢量速度计算，从而获得风速和风向。
2.如权利要求1所述的一种风向风速仪的自动校准方法，其特征在于：所述主控芯片为ARM9控制器，存储器为FLASH存储器，通信芯片为485通信芯片，FLASH存储器和485通信芯片均通过IO口与ARM9控制器电连接。
3.如权利要求1所述的一种风向风速仪的自动校准方法，其特征在于：所述控制单元设于一线路板上，线路板固设于所述支管内。
4.如权利要求1所述的一种风向风速仪的自动校准方法，其特征在于：所述矢量速度计算包括如下步骤：
步骤S1：根据前后正对设置的两个换能器接收信号的时间T3和前后正对设置的两个换能器之间的距离L1计算出速度V2，设定速度V2为Y轴方向上的风速；
根据左右正对设置的两个换能器接收信号的时间T5和左右正对设置的两个换能器之间的距离L2计算出速度V1，设定速度V1为X轴方向上的风速；
步骤S2：根据V1和V2进行矢量计算，获得矢量风速V。
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