CN112433068B - 一种超声波风速仪校正方法及装置 - Google Patents

一种超声波风速仪校正方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种超声波风速仪校正方法及装置，其中校正方法包括：计算超声波的传播速度Cair；对换能器n至s方向接收的信号进行处理，得到直达波的到达时间t_ns1和一次回波的到达时间t_ns2；根据t_ns1和t_ns2计算得到超声波传播时间tofns和系统时延dtns；对换能器s至n方向接收的信号进行处理，得到直达波的到达时间t_sn1和一次回波的到达时间t_sn2；根据t_sn1和t_sn2计算得到超声波传播时间tofsn和系统时延dtsn；分别计算换能器n至s之间的间距dns和换能器s至n之间的间距dsn，计算出两个间距之间的误差Δd，比较误差Δd与预设阈值thd的大小判断换能器之间的间距和密封腔状态。本发明可同时校正换能器间距与系统延迟，并确保校正在无风环境中进行，提高超声波风速仪校正准确率。

Description

一种超声波风速仪校正方法及装置
技术领域
本发明涉及超声波风速仪领域，特别涉及一种超声波风速仪校正方法及装置。
背景技术
风是由空气流动引起的一种自然现象，它与人类日常活动、农业、工业等方面息息相关，包括风速和风向两个参数，它是极其重要的气象要素之一，对于风速和风向的准确把握关系到国民的日常生产，在气象、建筑、公路、民航、桥梁、农业、新能源及军事等领域都对风速和风向的测量有着广泛的应用需求。
超声波风速仪是通过检测空气流动对超声波脉冲的作用来测量风速矢量的仪表。现有的超声波风速仪通过阈值法、相关、峰值等信号处理方法得到顺流和逆流的传播时间，但是受到滤波器时延、换能器参数差异、硬件启动时间等的影响，信号处理计算得到的传播时间不等于声波实际传播时间，会导致零风速时超声波风速仪实际测量风速不为0，这使得超声波风速仪的零点值产生漂移。零点偏移将严重影响超声波风速仪的测量精度，特别是在对低风速测量时，需要对超声波风速仪进行校零。
现有的超声波风速仪进行校零，主要是在出厂前在风洞或者专门的装置中制造无风环境，根据一对收发换能器间距、环境温湿度及信号处理计算得到的时间，进行校正。
校正中使用的收发换能器间距通常是结构设计时的尺寸，但是由于生产、运输等原因实际尺寸可能出现误差，从而导致校正出现偏差，影响风速仪精度；也有在校正前使用游标卡尺测量换能器间距再重新输入到软件中进行校准，该方法操作复杂，人为测量误差较大，需要熟练使用游标卡尺。
因此现有技术的在零点校正时，一方面没有校正换能器的间距，另一方面没有验证校正环境是否为零风速，可能存在校准偏差的问题，影响后续风速仪检测的精确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波风速仪校正方法及装置，可同时校正换能器间距与系统延迟，并确保校正在无风环境中进行，提高超声波风速仪校正准确率。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种超声波风速仪校正方法，其特征在于，其包括以下校正步骤：
计算超声波在密封腔中的传播速度Cair；
将超声波风速仪放入所述密封腔中，用位于同一维上的换能器s和换能器n收发超声波；
对换能器n至换能器s方向接收的信号进行处理，得到直达波的到达时间t_ns1和一次回波的到达时间t_ns2；
根据直达波的到达时间t_ns1和一次回波的到达时间t_ns2计算得到超声波传播时间tofns和系统时延dtns；
对换能器s至换能器n方向接收的信号进行处理，得到直达波的到达时间t_sn1和一次回波的到达时间t_sn2；
根据直达波的到达时间t_sn1和一次回波的到达时间t_sn2计算得到超声波传播时间tofsn和系统时延dtsn；
分别计算换能器n至换能器s之间的间距dns和换能器s至换能器n之间的间距dsn，并计算出两个间距之间的误差Δd，比较所述误差Δd与预设阈值thd的大小判断换能器之间的间距和密封腔状态。
作为优选，若所述误差Δd小于预设阈值thd，则换能器之间的间距为
Figure BDA0002730920860000031
若所述误差Δd大于预设阈值thd，则所述密封腔中仍有空气流动，需重复校正步骤。
作为优选，在计算超声波在所述密封腔中的传播速度Cair前，开启小风扇使所述密封腔内部空间热平衡。
作为优选，根据温湿度传感器的读数和经验公式计算所述超声波在所述密封腔中的传播速度
Figure BDA0002730920860000032
作为优选，对换能器n至换能器s方向接收的信号进行处理时，所述超声波传播时间
Figure BDA0002730920860000033
所述系统时延
Figure BDA0002730920860000034
所述换能器n至换能器s之间的距离dns＝tofnsCair。
作为优选，对换能器s至换能器n方向接收的信号进行处理时，所述超声波传播时间
Figure BDA0002730920860000035
所述系统时延
Figure BDA0002730920860000036
所述换能器s至换能器n之间的距离dsn＝tofsnCair。
作为优选，结束位于同一维上的一对换能器的校正后，再对其他维上的一对换能器重复所述校正步骤进行校正。
为了解决上述技术问题，本发明还提出了一种超声波风速仪校正装置，其特征在于，包括：罩设超声波风速仪的密封腔、安装在所述密封腔内的温湿度传感器以及安装在所述密封腔内的风扇。
作为优选，还包括多个壳罩，所述壳罩拼接形成所述密封腔，所述壳罩的拼接处开设有用于放置超声波风速仪的过孔。
作为优选，其特征在于，所述密封腔内壁粘贴有吸音棉。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的超声波风速仪校正方法及装置，根据零风速时换能器接收直达波和一次回波的到达时间，同时校正系统时延和换能器间距，避免生产、运输等原因导致换能器出现偏差，从而提高风速仪精度，并且该方法通过对比两次测量到的换能器间距，确保校正在无风环境中进行，提高校正操作的准确性。操作简单，零点校正准确率高，可广泛应用于不同产品档次不同维数的超声波风速仪内。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：
图1是本发明一种超声波风速仪校正装置的结构示意图；
图2是本发明一种超声波风速仪校正方法的流程图；
图3是本发明中直达波与一次回波的示意图；
图4是本发明中接收信号的包络图；
图中所示：1、密封腔；2、温湿度传感器；3、风扇；4、壳罩；5、过孔；6、超声波风速仪。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，对应于本发明的一种较佳实施例的超声波风速仪校正装置，包括：罩设超声波风速仪的密封腔1、安装在所述密封腔1内的温湿度传感器2以及安装在所述密封腔1内的风扇3。其中，密封腔1由多个壳罩4拼接形成，密封腔1可以根据需要而设计成任意合适的空间构造，例如，包括但不限于立方体、圆柱体、球体等。所述壳罩4的拼接处开设有用于放置超声波风速仪的过孔5，过孔5与超声波风速仪6之间，以及壳罩4拼接处均设置有密封装置或挡风装置，确保连接处和拼接处不会对密封腔1内的无风环境造成影响。所述密封腔1内壁粘贴有吸音棉，有效降低超声波的反射，杜绝了超声波工作时自身发射声波的影响。
当进行校正时，只需针对待校正超声波风速仪安装所述壳罩4，使所述超声波风速仪6穿过所述过孔5设置在密封腔1内，将超声波风速仪6所处环境与大气环境隔离，避免大气环境的环境变化对超声波风速仪6的干扰，保证了超声波风速仪进行校正时的准确性及精度。校正结束，取下所述壳罩4，所述超声波风速仪即可正常使用，实现即时校正，避免了拆卸超声波风速仪，节约时间，进一步减少成本。
本实施例还提供了一种利用上述校正设备对超声波风速仪进行校正的方法，如图2所示，包括以下步骤：
开启小风扇3使所述密封腔内部空间热平衡，避免各处温度分布不均匀，关闭小风扇等气流稳定后，根据温湿度传感器的读数和经验公式计算所述超声波在所述密封腔中的传播速度Cair：
Figure BDA0002730920860000061
将超声波风速仪放入所述密封腔中，用位于同一维上的换能器s和换能器n收发超声波，接收的超声波信号包括直达波和多次回波，接收信号的包络如图4所示，在本实施例的校正方法中，选用直达波和一次回波(如图3所示，其中直线表示直达波，虚线表示一次回波)。
对换能器n至换能器s方向接收的信号进行处理，根据接收信号峰值点位置(也可以是相关、阈值比较，相位等方法)计算得到直达波的到达时间t_ns1和一次回波的到达时间t_ns2；
根据直达波的到达时间t_ns1和一次回波的到达时间t_ns2计算得到超声波传播时间tofns和系统时延dtns；
其中，直达波传播路径长度即为换能器n至换能器s之间的间距dns，传播时间记为tofns，一次回波的传播路径为3倍换能器n至换能器s之间的间距，即为3dns，传播时间为3tofns，声传播实际时间与信号处理得到的传播时间的差值为系统时延dtns，可得，
所述直达波的到达时间t_ns1与超声波传播时间tofns和系统时延dtns的关系式为：
t_ns1+dtns＝tofns
所述一次回波的到达时间t_ns2与超声波传播时间tofns和系统时延dtns的关系式为：
t_ns2+dtns＝3tofns
可以求得：
对换能器n至换能器s方向接收的信号进行处理时，所述超声波传播时间
Figure BDA0002730920860000062
所述系统时延
Figure BDA0002730920860000063
所述换能器n至换能器s之间的距离dns＝tofnsCair。
同理，对换能器s至换能器n方向接收的信号进行处理，得到直达波的到达时间t_sn1和一次回波的到达时间t_sn2；
根据直达波的到达时间t_sn1和一次回波的到达时间t_sn2计算得到超声波传播时间tofsn和系统时延dtsn；
可以求得：
对换能器s至换能器n方向接收的信号进行处理时，所述超声波传播时间
Figure BDA0002730920860000071
所述系统时延
Figure BDA0002730920860000072
所述换能器s至换能器n之间的距离dsn＝tofsnCair。
分别计算换能器n至换能器s之间的间距dns和换能器s至换能器n之间的间距dsn，并计算出两个间距之间的误差Δd，比较所述误差Δd与预设阈值thd的大小判断换能器之间的间距和密封腔状态；
其中，误差Δd＝|dns-dsn|，若所述误差Δd小于预设阈值thd，则换能器之间的间距为
Figure BDA0002730920860000073
若所述误差Δd大于预设阈值thd，则所述密封腔中仍有空气流动，需重复校正步骤。
结束位于同一维上的一对换能器的校正后，再对其他维上的一对换能器重复所述校正步骤进行校正，直到所有维上成对换能器均完成校正。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (9)

1.一种超声波风速仪校正方法，其特征在于，其包括以下校正步骤：
计算超声波在密封腔中的传播速度Cair；
将超声波风速仪放入所述密封腔中，用位于同一维上的换能器s和换能器n收发超声波；
对换能器n至换能器s方向接收的信号进行处理，得到直达波的到达时间t_ns1和一次回波的到达时间t_ns2；
根据直达波的到达时间t_ns1和一次回波的到达时间t_ns2计算得到超声波传播时间tofns和系统时延dtns；
对换能器s至换能器n方向接收的信号进行处理，得到直达波的到达时间t_sn1和一次回波的到达时间t_sn2；
根据直达波的到达时间t_sn1和一次回波的到达时间t_sn2计算得到超声波传播时间tofsn和系统时延dtsn；
分别计算换能器n至换能器s之间的间距dns和换能器s至换能器n之间的间距dsn，并计算出两个间距之间的误差Δd，比较所述误差Δd与预设阈值thd的大小判断换能器之间的间距和密封腔状态；
若所述误差Δd小于预设阈值thd，则换能器之间的间距为
Figure FDA0003462756330000011
若所述误差Δd大于预设阈值thd，则所述密封腔中仍有空气流动，需重复校正步骤。
2.根据权利要求1所述的超声波风速仪校正方法，其特征在于，在计算超声波在所述密封腔中的传播速度Cair前，开启小风扇使所述密封腔内部空间热平衡。
3.根据权利要求1所述的超声波风速仪校正方法，其特征在于，根据温湿度传感器的读数和经验公式计算所述超声波在所述密封腔中的传播速度
Figure FDA0003462756330000012
4.根据权利要求1所述的超声波风速仪校正方法，其特征在于，对换能器n至换能器s方向接收的信号进行处理时，所述超声波传播时间
Figure FDA0003462756330000021
所述系统时延
Figure FDA0003462756330000022
所述换能器n至换能器s之间的距离dns＝tofnsCair。
5.根据权利要求1所述的超声波风速仪校正方法，其特征在于，对换能器s至换能器n方向接收的信号进行处理时，所述超声波传播时间
Figure FDA0003462756330000023
所述系统时延
Figure FDA0003462756330000024
所述换能器s至换能器n之间的距离dsn＝tofsnCair。
6.根据权利要求1所述的超声波风速仪校正方法，其特征在于，结束位于同一维上的一对换能器的校正后，再对其他维上的一对换能器重复所述校正步骤进行校正。
7.一种超声波风速仪校正装置，其特征在于，用于实施权利要求1-6任一项所述的超声波风速仪校正方法，包括：罩设超声波风速仪的密封腔、安装在所述密封腔内的温湿度传感器以及安装在所述密封腔内的风扇。
8.根据权利要求7所述的超声波风速仪校正装置，其特征在于，还包括多个壳罩，所述壳罩拼接形成所述密封腔，所述壳罩的拼接处开设有用于放置超声波风速仪的过孔。
9.根据权利要求8所述的超声波风速仪校正装置，其特征在于，所述密封腔内壁粘贴有吸音棉。
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