CN111796116A - 一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量装置及测量方法 - Google Patents

一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量装置及测量方法。该装置包括多个具有超声波收发功能的超声波探头、悬臂杆、内部有电路板的电路板腔体及支撑座，超声波探头两两相对构成多个测量段，每对探头的发射面相互平行，且其中心连线与发射面垂直，每个超声波探头通过独立的悬臂杆固定在电路板腔体上。该装置采用直射式结构，机械部件少、结构简单，加工成本低、加工精度便于控制。同时由于采用相位测量方法，通过测量收发探头之间的信号相位，无需温度传感器即可通过差分方法获得虚拟温度，消除掉温度变化引起的误差，从而提高测量精度，降低生产成本。

Description

一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及风速及风向测量技术领域，尤其涉及一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量装置及测量方法。
背景技术
超风波测风仪利用超声波信号在发射器和接收器之间的传播时间受风速影响的原理，通过计算得出风速与风向。作为一种新型测风仪器，超声波测风仪具有测量精度高、量程广、不易损坏等优势，被广泛应用于气象站、风力发电、环境监测等领域。
目前国内主要使用的超声波测风仪一般只具备测量二维风的功能，部分进口设备虽然可以测量三维风速，但整体结构较为复杂，对尺寸精度要求较高，加工难度大，测量精度不易控制，且成本居高不下。从测量方法上看，现有的超声波测风仪都采用传统的脉冲时差方法原理，通过测量脉冲在探头之间的传播时间，从而得到风速和风向，未考虑相位跳变因素，测量精度受限。另外，由于声速受环境，尤其是空气温度的影响，在条件恶劣或温差变化较大的应用场合，测量精度会受到严重影响，如果不进行温度修正，只能适用于精度要求不高的场合。如果加入额外的温度传感器进行补偿，会增加设备复杂度，成本也相应上升。
本发明根据声信号传输的多普勒效应原理，采用相位测量方法，在提高测量精度的同时，避免了额外增加温度传感器带来的成本增加问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量装置及测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量装置，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头、悬臂杆、内部有电路板的电路板腔体及支撑座，电路板包括电源部分、发射单元、接收信号调理单元、控制及处理单元，所述超声波探头两两相对构成多个测量段，每对探头的发射面相互平行，且其中心连线与发射面垂直，每个超声波探头通过独立的悬臂杆固定在电路板腔体上，电路板腔体底部设置支撑座。
一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量方法，包括如下步骤：
步骤1：控制及处理单元控制超声波探头A的发射单元驱动探头发送连续的超声波信号，相对应的超声波探头B接收到信号后进行增益调整，然后将接收信号送回控制及处理单元，控制及处理单元比对发射信号和接收信号的相位，获得相位测量值，然后发射停止；
步骤2：控制及处理单元控制超声波探头B的发射单元驱动探头发送连续的超声波信号，相对应的超声波探头A接收到信号后进行增益调整，然后将接收信号送回控制及处理单元，控制及处理单元比对发射信号和接收信号的相位，获得相位测量值，然后发射停止；
步骤3：超声波探头C与超声波探头D、超声波探头E与超声波探头F依次按照步骤1与步骤2相同方式获得相位测量值；
步骤4：根据相位测量值计算各探头测量方向的风速；
步骤5：计算各探头测量方向的方向矢量；
步骤6：计算风速矢量；
步骤7：由风速矢量计算得到风速大小及方向。
根据相位测量值计算各探头测量方向的风速：
Figure RE-GDA0002626672800000031
计算各探头测量方向的方向矢量Si：
方向矢量Si的天顶角为θi，方位角为ψi，则
Si＝[sin θi cos ψi，sin θi sin ψi，cos θi]i＝1，2，3 (2)；
于是三组探头测量方向组成的方向矩阵可表示为：
Figure RE-GDA0002626672800000032
计算风速矢量
Figure RE-GDA0002626672800000033
设三组探头测量风速矢量表示为v测＝[v1，v2，v3]，根据坐标投影关系，并代入公式(1)(3)，求得实际风速
Figure RE-GDA0002626672800000034
Figure RE-GDA0002626672800000041
计算风速大小：
Figure RE-GDA0002626672800000042
计算风速方向：
Figure RE-GDA0002626672800000043
Figure RE-GDA0002626672800000044
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该装置采用直射式结构，机械部件少、结构简单，加工成本低、加工精度便于控制。同时由于采用相位测量方法，通过测量收发探头之间的信号相位，无需温度传感器即可通过差分方法获得虚拟温度，消除掉温度变化引起的误差，从而提高测量精度，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明测量装置的立体结构图；
图2是本发明测量装置的俯视图；
图3是本发明测量装置电路组成框图；
图4是本发明提供的三位风速空间分量示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。
图1是本发明实施例提供的超声波测风仪的立体结构图，包括六个具有超声波收发功能的超声波探头、悬臂杆、壳体及控制电路，其特征在于：探头1、2、3位于某一高度平面内，呈等边三角形排列；探头
Figure RE-GDA0002626672800000051
位于另一高度平面内，也呈等边三角形排列；探头两两相对(1和
Figure RE-GDA0002626672800000052
2和
Figure RE-GDA0002626672800000053
3和
Figure RE-GDA0002626672800000054
)构成三个测量段，每对探头的发射面相互平行。
图2是本发明实施例提供的超声波测风仪俯视图。探头1与
Figure RE-GDA0002626672800000055
所在垂直面、探头2与
Figure RE-GDA0002626672800000056
所在垂直面、探头3与
Figure RE-GDA0002626672800000057
所在垂面两两呈60°夹角。
具体测量步骤
步骤1：控制及处理单元控制探头1的发射单元驱动探头1发送连续的超声波信号，探头
Figure RE-GDA0002626672800000058
接收到信号后进行增益调整，然后将接收信号送回控制及处理单元，控制及处理单元比对发射信号和接收信号的相位，获得相位测量值
Figure RE-GDA0002626672800000059
然后发射停止；
步骤2：控制及处理单元控制探头
Figure RE-GDA00026266728000000510
的发射单元驱动探头
Figure RE-GDA00026266728000000511
发送连续的超声波信号，探头1接收到信号后进行增益调整，然后将接收信号送回控制及处理单元，控制及处理单元比对发射信号和接收信号的相位，获得相位测量值
Figure RE-GDA00026266728000000512
然后发射停止；
步骤3：探头2与
Figure RE-GDA00026266728000000513
3与
Figure RE-GDA00026266728000000514
依次按照步骤1与步骤2相同方式获得相位测量值
Figure RE-GDA00026266728000000515
计算方式
1)根据相位测量值计算各探头测量方向的风速：
Figure RE-GDA0002626672800000061
2)计算各探头测量方向的方向矢量Si：
如图4所示，Si的天顶角为θi，方位角为ψi，则
Si＝[sin θi cos ψi，sin θi sin ψi，cos θi]i＝1，2，3 (2)
于是三组探头测量方向组成的方向矩阵可表示为：
Figure RE-GDA0002626672800000062
3)计算风速矢量
Figure RE-GDA0002626672800000063
设三组探头测量风速矢量表示为v测＝[v1，v2，v3]，根据坐标投影关系，并代入公式(1)(3)，求得实际风速
Figure RE-GDA0002626672800000064
4)计算风速大小：
Figure RE-GDA0002626672800000071
5)计算风速方向：
Figure RE-GDA0002626672800000072
Figure RE-GDA0002626672800000073
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量装置，其特征在于，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头、悬臂杆、内部有电路板的电路板腔体及支撑座，电路板包括电源部分、发射单元、接收信号调理单元、控制及处理单元，所述超声波探头两两相对构成多个测量段，每对探头的发射面相互平行，且其中心连线与发射面垂直，每个超声波探头通过独立的悬臂杆固定在电路板腔体上，电路板腔体底部设置支撑座。
2.一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：控制及处理单元控制超声波探头A的发射单元驱动探头发送连续的超声波信号，相对应的超声波探头B接收到信号后进行增益调整，然后将接收信号送回控制及处理单元，控制及处理单元比对发射信号和接收信号的相位，获得相位测量值，然后发射停止；
步骤2：控制及处理单元控制超声波探头B的发射单元驱动探头发送连续的超声波信号，相对应的超声波探头A接收到信号后进行增益调整，然后将接收信号送回控制及处理单元，控制及处理单元比对发射信号和接收信号的相位，获得相位测量值，然后发射停止；
步骤3：超声波探头C与超声波探头D、超声波探头E与超声波探头F依次按照步骤1与步骤2相同方式获得相位测量值；
步骤4：根据相位测量值计算各探头测量方向的风速；
步骤5：计算各探头测量方向的方向矢量；
步骤6：计算风速矢量；
步骤7：由风速矢量计算得到风速大小及方向。
3.如权利要求2所述的一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量方法，其特征在于，
根据相位测量值计算各探头测量方向的风速：
Figure RE-FDA0002626672790000021
4.如权利要求2所述的一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量方法，其特征在于，计算各探头测量方向的方向矢量Si：
方向矢量Si的天顶角为θi，方位角为ψi，则
Si＝[sinθicosψi，sinθisinψi，cosθi]i＝1，2，3 (2)；
于是三组探头测量方向组成的方向矩阵可表示为：
Figure RE-FDA0002626672790000022
5.如权利要求2所述的一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量方法，其特征在于，
计算风速矢量
Figure RE-FDA0002626672790000024
设三组探头测量风速矢量表示为v测＝[v1，v2，v3]，根据坐标投影关系，并代入公式(1)(3)，求得实际风速
Figure RE-FDA0002626672790000023
Figure RE-FDA0002626672790000031
6.如权利要求2所述的一种基于多普勒效应的超声波三维风速测量方法，其特征在于，
计算风速大小：
Figure RE-FDA0002626672790000032
计算风速方向：
Figure RE-FDA0002626672790000033
Figure RE-FDA0002626672790000034
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