CN112924715A - 一种气流参数测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气流参数测量装置和方法，包括：处理器、作为中心的超声波发射头和至少3个呈环形排布且环绕所述中心的具有接收超声波功能的接收端；一方面，通过采用具有接收超声波功能的接收端，接收端对微弱气流如微风等反应灵敏，能够用于对微风和大风范围内的气流参数的测量，测量范围大，且测量精度精高，并能在环境低温、雨雪天气环境下进行测量，另一方面，采用具有接收超声波功能的接收端如硅麦等，还能极大降低成本和体积，因此，本发明的一种气流参数测量装置，在保证测量精度和测量范围的情况下，极大降低了成本和体积。

Description

一种气流参数测量装置和方法

技术领域

本发明涉及气流参数测量技术领域，尤其涉及一种气流参数测量装置和方法。

背景技术

风速风向仪在气象、民航、公路、农业和新能源领域都发挥着重要的作用，目前，常用的风速风向仪包括风杯风速仪和超声风速仪，具体地：

1)风杯风速仪：作为一种机械式的风速风向仪，主要通过风力带动叶轮转动获得风速，具体地：将风杯风速仪的叶轮转动的角速度或叶轮的转数转化为脉冲电信号，并以此测算出风速，风杯风速仪成本较低，但因为有活动结构件如叶轮等容易出现老化故障，导致寿命较短，且因为风速风向仪主要应用于户有风环境，而当外在环境低温、雨雪天气环境下还可能因结冰卡死；且风杯风速仪作为一种机械式的风速风向仪，由于受到结构的限制，导致对微风响应不灵敏，不能准确测出微风的风速，但如果改进结构，使其灵敏，更容易在大风时损坏，因此，风杯风速仪只能在较低端应用场景如对测量精度要求不高的应用场景等使用；

2)超声风速仪：基于时差法的超声测风仪大多采用分时原则，一般为正十字等距排列，即两对超声波传感器即超声波探头轮流发送和接收信号，分别测量一个平面x轴方向和y轴方向的风速数据，通过时差法计算出实际的风速和风向。整个测量过程中，收发切换次数多，且采样次数多，虽然测试精度相较于风杯风速仪高，但4个超声波传感器的价格较高，比风杯风速仪的售价普遍高出10倍左右，且体积较大；

还有一种基于反射式的超声测风仪，包括一个一体化收发传感器(可接收信号，也可发送信号)，以及排列设置的四个超声波接收传感器，使用方波驱动发射一体化收发传感器发送超声波，通过发送、接收时延来判断同一个信号到达不同超声波接收传感器的时间延迟，缺点是对安装结构要求高(如形变等因素)，且成本也较高，体积较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种气流参数测量装置和方法。

本发明的一种气流参数测量装置的技术方案如下：

包括：处理器、作为中心的超声波发射头和至少3个呈环形排布且环绕所述中心的具有接收超声波功能的接收端；

所述超声波发射头用于同时向每个接收端发射超声波；

每个接收端用于根据接收到的超声波分别生成电信号，并发送至所述处理器；

所述处理器用于根据多个电信号得到每个接收端所接收到的超声波的相位差，并利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数。

本发明的一种气流参数测量装置的有益效果如下：

一方面，通过采用具有接收超声波功能的接收端，接收端对微弱气流如微风等反应灵敏，能够用于对微风和大风范围内的气流参数的测量，测量范围大，且测量精度精高，并能在环境低温、雨雪天气环境下进行测量，另一方面，采用具有接收超声波功能的接收端如硅麦等，还能极大降低成本和体积，因此，本发明的一种气流参数测量装置，在保证测量精度和测量范围的情况下，极大降低了成本和体积。

在上述方案的基础上，本发明的一种气流参数测量装置还可以做如下改进。

进一步，所述超声波发射头位于所述至少3个接收端所形成的环形平面的中心法线上。

采用上述进一步方案的有益效果是：超声波发射头位于至少3个接收端所形成的环形平面的中心法线上，进一步降低利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数的计算复杂度。

进一步，所述超声波发射头与所述至少3个接收端均设置在同一个电路板上，还包括：与接收端相对设置的超声波反射板，所述超声波发射头的发射方向朝向所述超声波反射板。

采用上述进一步方案的有益效果是：将超声波发射头与至少3个接收端均设置在同一个电路板上，使本发明的一种气流参数测量装置的结构更为紧凑，且还包括与接收端相对设置的超声波反射板，超声波发射头的发射方向朝向超声波反射板，此时超声波发射头发射出的超声波经超声波反射板反射至接收端，增大超声波发射头发射出的超声波至接收端接收超声波之间的行程，进一步提高测量精度。

进一步，所述处理器和所述超声波发射头之间还连接有用于放大所述超声波发射头的超声波发射功率的功率放大电路。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过功率放大电路提高超声波发射头的超声波发射功率，进而增强超声波发射头发射的超声波的信号强度，提高与室外噪声之间的信噪比，提高测量精度。

进一步，所述处理器包括DA接口和多个AD接口，所述功率放大电路连接所述DA接口，每个所述接收端连接相应的一个AD接口。

采用上述进一步方案的有益效果是：便于在增加接收端时，通过连接AD接口即可得到新增加的接收端的电信号，更加灵活方便。

进一步，每个所述接收端与连接的AD接口之间还连接有高通滤波电路。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过高通滤波电路能将接收端向处理器所发送的电信号中的非超声波低频信号滤除，使处理器处理接收到的电信号更加简洁方便，并可以调节放大倍数，增加信噪比。

进一步，所述接收端为硅麦或超声波探头。

采用上述进一步方案的有益效果是：当接收端为硅麦时，更有利于降低成本。

进一步，所述硅麦为底部进声型。

采用上述进一步方案的有益效果是：从结构上更好约束进声方向，减小其他方向干扰。

本发明的一种气流参数测量方法的技术方案如下：采用上述任一项所述的一种气流参数测量装置，包括：

气流参数测量装置的超声波发射头同时向每个接收端发射超声波；

每个接收端根据接收到的超声波分别生成电信号，并发送至处理器；

所述处理器根据多个电信号得到每个接收端所接收到的超声波的相位差，并利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数。

本发明的一种气流参数测量方法的有益效果如下：

本发明的一种气流参数测量装置，一方面，通过采用具有接收超声波功能的接收端，接收端对微弱气流如微风等反应灵敏，能够用于对微风和大风范围内的气流参数的测量，测量范围大，且测量精度精高，并能在环境低温、雨雪天气环境下进行测量，另一方面，采用具有接收超声波功能的接收端，还能极大降低成本和体积，因此，本发明的一种气流参数测量方法，采用本发明的一种气流参数测量装置，能保证测量精度和测量范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种气流参数测量装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例的一种气流参数测量装置的结构示意图之二；

图3为本发明实施例的一种气流参数测量装置的结构示意图之三；

图4为本发明实施例的一种气流参数测量装置的结构示意图之四；

图5为本发明实施例的一种气流参数测量装置的结构示意图之五；

图6为本发明实施例的一种气流参数测量方法的流程示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种气流参数测量装置，包括：处理器9、作为中心的超声波发射头1和至少3个呈环形排布且环绕所述中心的具有接收超声波功能的接收端2；具体地：

1)如图1所示，包括3个呈环形排布且环绕所述中心的具有接收超声波功能的接收端2，其中，3个接收端2可呈等间隔排布或不等间隔排布，可以理解的是，为降低利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数的计算复杂度，将3个接收端2设置为等间隔排布；

2)如图2所示，包括4个呈环形排布且环绕所述中心的具有接收超声波功能的接收端2，其中，4个接收端2可呈等间隔排布或不等间隔排布，可以理解的是，为降低利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数的计算复杂度，将4个接收端2设置为等间隔排布；

所述超声波发射头1用于同时向每个接收端2发射超声波；

每个接收端2用于根据接收到的超声波分别生成电信号，并发送至所述处理器9；

所述处理器9用于根据多个电信号得到每个接收端2所接收到的超声波的相位差，并利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数，其中，处理器9可采用微控制单元即MCU或PLC等，相位差法为本领域技术人员所悉知，且可以理解的是，本发明实施例的一种气流参数测量装置中包括4个及4个以上接收端时和包括3个接收端时，在利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数的过程，为本领域技术人员所悉知，没有技术上的难度，在此不做赘述。

其中，所述接收端2为硅麦或超声波探头。当接收端2为硅麦时，更有利于降低成本。且当接收端2为硅麦时，硅麦为底部进声型。

本申请的一种气流参数测量装置，一方面，通过采用具有接收超声波功能的接收端2，接收端2对微弱气流如微风等反应灵敏，能够用于对微风和大风范围内的气流参数的测量，测量范围大，且测量精度精高，并能在环境低温、雨雪天气环境下进行测量，另一方面，采用具有接收超声波功能的接收端2如硅麦等，还能极大降低成本和体积，因此，本申请的一种气流参数测量装置，在保证测量精度和测量范围的情况下，极大降低了成本和体积，可以理解的是，本申请的一种气流参数测量装置能应用在自然环境中，对风进行测量时，得到的气流速度即为风速，得到的气流方向，然后与实际的东南西北的方向进行对应后，得到真实的风向，具体过程为本领域技术人员所悉知，在此不做赘述，也可应用在室内环境或一些实验环境中，得到包括气流速度和/或气流方向的参数。

较优地，在上述技术方案中，所述超声波发射头1位于所述至少3个接收端2所形成的环形平面的中心法线上，具体地：

如图3所示，将超声波发射头1设置在至少3个接收端2所形成的环形平面的中心法线上的一个固定部件上，固定部件可为电路板或塑料板上，此时，超声波发射头1的发射方向朝向接收端2，以便于同时向每个接收端2发射超声波。

而且，超声波发射头1位于至少3个接收端2所形成的环形平面的中心法线上，进一步降低利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数的计算复杂度。

较优地，在上述技术方案中，所述超声波发射头1与所述至少3个接收端2均设置在同一个电路板3上，还包括：与接收端2相对设置的超声波反射板4，所述超声波发射头1的发射方向朝向所述超声波反射板4，具体地：

如图4所示，将超声波发射头1与至少3个接收端2均设置在同一个电路板3上，使本申请的一种气流参数测量装置的结构更为紧凑，且超声波反射板4与接收端2相对设置，超声波发射头1的发射方向朝向超声波反射板4，此时超声波发射头1发射出的超声波经超声波反射板4反射至接收端2，相比于超声波发射头1直接向接收端2发射超声波，增大超声波发射头1发射出的超声波至接收端2接收超声波之间的行程，在相位差法中，该行程作为除数，能获取更小范围内的气流速度，进一步提高测量精度。

其中，超声波经超声波反射板4的材质可为：ABS、PC或铝基板等。

较优地，在上述技术方案中，如图5所示，所述处理器9和所述超声波发射头1之间还连接有用于放大所述超声波发射头1的超声波发射功率的功率放大电路6。

通过功率放大电路6提高超声波发射头1的超声波发射功率，进而增强超声波发射头1发射的超声波的信号强度，提高与室外噪声之间的信噪比，提高测量精度，其中，功率放大电路6为本领域技术人员所悉知，在此不做赘述。

较优地，在上述技术方案中，如图5所示，所述处理器9包括DA接口8和多个AD接口7，所述功率放大电路6连接所述DA接口8，每个所述接收端2连接相应的一个AD接口7。

便于在增加接收端2时，通过连接AD接口7即可得到新增加的接收端2的电信号，更加灵活方便。

较优地，在上述技术方案中，每个所述接收端2与连接的AD接口7之间还连接有高通滤波电路5。

通过高通滤波电路5能将接收端2向处理器9所发送的电信号中的非超声波低频信号滤除，使处理器9处理接收到的电信号更加简洁方便，并可以调节放大倍数，增加信噪比，其中，高通滤波电路5为本领域人员所悉知，在此不做赘述。

其中，本申请的一种气流参数测量装置还包括外壳，外壳可根据实际情况进行设计，在此不对外壳的具体结构进行限制。

如图6所示，本发明实施例的一种气流参数测量方法，采用上述任一项所述的一种气流参数测量装置，包括：

S1、气流参数测量装置的超声波发射头1同时向每个接收端2发射超声波；

S2、每个接收端2根据接收到的超声波分别生成电信号，并发送至处理器9；

S3、所述处理器9根据多个电信号得到每个接收端2所接收到的超声波的相位差，并利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数。

本发明的一种气流参数测量装置，一方面，通过采用具有接收超声波功能的接收端2，接收端2对微弱气流如微风等反应灵敏，能够用于对微风和大风范围内的气流参数的测量，测量范围大，且测量精度精高，并能在环境低温、雨雪天气环境下进行测量，另一方面，采用具有接收超声波功能的接收端2如硅麦等，还能极大降低成本和体积，因此，本发明的一种气流参数测量方法，采用本发明的一种气流参数测量装置，能保证测量精度和测量范围。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种气流参数测量装置，其特征在于，包括：处理器、作为中心的超声波发射头和至少3个呈环形排布且环绕所述中心的具有接收超声波功能的接收端；

所述超声波发射头用于同时向每个接收端发射超声波；

每个接收端用于根据接收到的超声波分别生成电信号，并发送至所述处理器；

所述处理器用于根据多个电信号得到每个接收端所接收到的超声波的相位差，并利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数。

2.根据权利要求1所述的一种气流参数测量装置，其特征在于，所述超声波发射头位于所述至少3个接收端所形成的环形平面的中心法线上。

3.根据权利要求1所述的一种气流参数测量装置，其特征在于，所述超声波发射头与所述至少3个接收端均设置在同一个电路板上，还包括：与接收端相对设置的超声波反射板，所述超声波发射头的发射方向朝向所述超声波反射板。

4.根据权利要求2或3所述的一种气流参数测量装置，其特征在于，所述处理器和所述超声波发射头之间还连接有用于放大所述超声波发射头的超声波发射功率的功率放大电路。

5.根据权利要求4所述的一种气流参数测量装置，其特征在于，所述处理器包括DA接口和多个AD接口，所述功率放大电路连接所述DA接口，每个所述接收端连接相应的一个AD接口。

6.根据权利要求5所述的一种气流参数测量装置，其特征在于，每个所述接收端与连接的AD接口之间还连接有高通滤波电路。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种气流参数测量装置，其特征在于，所述接收端为硅麦或超声波探头。

8.根据权利要求7所述的一种气流参数测量装置，其特征在于，所述硅麦为底部进声型。

9.一种气流参数测量方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的一种气流参数测量装置，包括：

气流参数测量装置的超声波发射头同时向每个接收端发射超声波；

每个接收端根据接收到的超声波分别生成电信号，并发送至处理器；

所述处理器根据多个电信号得到每个接收端所接收到的超声波的相位差，并利用相位差法计算出包括气流速度和/或气流方向的参数。

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