CN113093310A - 一种便携式测量风向风速装置及方法 - Google Patents

一种便携式测量风向风速装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种便携式风速风向测量装置和方法，装置包括：检测模块、A/D转换模块、用于计算风速和风向的单片机、晶振复位模块、计数时钟模块、供电电路模块和显示模块；检测模块包括风速传感器和风向传感器。本发明利用风速和风向传感器来作为风能信号的采集工具，采集来的模拟量的风能信号通过A/D转换模块处理后送交给装置的控制核心单片机来处理，单片机将最终处理完的结果即监测的数据再利用液晶屏显示出来。该装置精度高，体积小，成本低，使用方便。

Description

一种便携式测量风向风速装置及方法
技术领域
本发明属于气象观测技术领域，具体涉及一种便携式测量风向风速装置及方法。
背景技术
风向风速测量装置可以广泛地应用于气象(如为台风数据提供准确的数据参考)、民航(为飞机起飞、降落提供风的可靠数据)、公路、桥梁(为建造公路、桥梁提供依据)、新能源(风能发电前期提供风数据)等行业，前景广阔。
旧式的机械式测风仪由于采用机械式传动结构，长时间使用精度会受影响而且读数不便。所以提高风速风向测量装置的精度与易用便携性，对于气象观测是非常有意义的。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种能够精确测量风速和风向，且可以进行进一步误差修正的便携式测量风向风速装置及方法。
本发明提供如下技术方案：一种便携式风速风向测量装置，包括：检测模块、A/D转换模块、用于计算风速和风向的单片机、晶振复位模块、计数时钟模块、供电电路模块和显示模块。
进一步地，所述检测模块包括风速传感器和风向传感器。
进一步地，所述风速传感器为四杯旋转架结构，具有超声波发射器、第一超声波接收器、第二超声波接收器、第三超声波接收器和第四超声波接收器；所述第一超声波接收器和所述第二超声波接收器用于检测x轴的所述自然风的风速，所述第三超声波接收器和所述第四超声波接收器用于检测y轴的所述自然风的风速。
进一步地，所述第一超声波接收器、所述第四超声波接收器位于自然风流入巷道一侧，所述第三超声波接收器、所述第二超声波接收器位于自然风流入巷道另一侧。
进一步地，所述显示模块为液晶显示屏。
本发明还提供利用上述便携式风速风向测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1：风速传感器检测自然风的风速光信号，风向传感器检测自然风的风向标偏角和水平分量；
S2：所述风速传感器采集所述自然风的风速光信号并传递给所述A/D转换模块，所述风向传感器测量风向标偏角和所述水平分量并传递给所述A/D转换模块；
S3：所述A/D转换模块将所述风速光信号、风向标偏角信号和水平分量信号转化为电信号，单片机初始化，然后一并传递给所述单片机；
S4：单片机接收到串口的数据并判断是否符合命令的数据，是则进行相应的命令分析，是来自于风速传感器还是风向传感器；所述单片机计算所在地的风向和风速；
S5：所述单片机对所述S4步骤得到的风向进行单周期相位检测的测量精度计算后，符合测量精度标准后利用所述S4步骤得到的风向对所述S3步骤直接测量得到的风速进行相关误差修正，并将处理完的数据信息通过串口发送出去，并将计算结果传递给显示模块；如果不是符合命令的数据，则继续等待串口数据；
S6：所述显示模块显示测量结果。
进一步地，所述S4步骤中的单片机计算风速包括以下步骤：
S41：分别检测超声波信号从超声波发射器到第一超声波接收器的时间t1、到第二超声波接收器的时间t2、到第三超声波接收器的时间t3和到第四超声波接收器的时间t4：
Figure BDA0003007813990000031
Figure BDA0003007813990000032
Figure BDA0003007813990000033
Figure BDA0003007813990000034
其中，所述c为无自然风时的超声波波速，所述Vx为自然风于x轴方向的风速，所述Vy为自然风于y轴方向的风速；所述θ为所述x轴或所述y轴与所述超声波发射器1所在平面内，所述超声波接收器与所述超声波发射器1的连线相应地与所述x轴或所述y轴的夹角；所述L为所述超声波接收器至所述超声波发射器(1)轴线的水平距离；
S42：所述单片机分别计算所述时间t1和所述时间t2的第一时间变化量ΔtA，所述时间t3和所述时间t4的第二时间变化量ΔtB：
Figure BDA0003007813990000035
Figure BDA0003007813990000036
S43：由所述M2步骤的时间变化量求出所述x轴的风速Vx和所述y轴的风速Vy：
Figure BDA0003007813990000037
Figure BDA0003007813990000038
S44：计算所述x轴与所述y轴所在平面内的风速V：
Figure BDA0003007813990000039
进一步地，所述S5步骤中的所述风速测量精度计算公式如下：
Figure BDA0003007813990000041
其中，所述fs为被测的所述风速电信号的频率，所述fdk为所述计数时钟模块的计时的频率。
进一步地，所述S5步骤中的风向误差修正公式如下：
Figure BDA0003007813990000042
其中，所述λ为经所述单片机计算修正后的风向。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种高精度、大范围的风速风向测量方法，解决了传统的飞行时间法和相位检测法不能同时考虑测量精度和测量范围的问题。在二进制幅度调制和互相关算法的基础上，设计了编码脉冲组合来测量超声波到达不同超声波接收器的时间差。与传统的ToF方法相比，编码脉冲组合可以获得更清晰的相关峰，从而获得更精确的时差测量结果。
2、为了进一步提高风速测量精度和分辨率，提出了基于超声波发射器分别与第一超声波接收器、第二超声波接收器、第三超声波发射器和第四超声波接收器形成的的高精度±180°数字相位检测方法。
3、结合时差和相位差测量结果，扩大了风速的测量范围，提高了测量精度，并基于该方法建立了风速风向测量装置。
4、本发明提供的便携式测量风向层数装置观测方便、性能稳定可靠，安装携带方便，实时将风速、风向变化情况显示出来；结构简单、体积小、成本低、实现容易，且其所应用的测量方法使最终获得的测量数据有着较高的准确性和可靠性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的便携式测量风向风速装置结构示意图；
图2为本发明提供的便携式测量风向风速装置风速传感器结构示意图；
图3为本发明提供的便携式测量风向风速测量方法流程图；
图4为本发明提供的便携式测量风向风速测量方法的风速通过平面速度分解示意图。
具体实施例方式
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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，为本实施例提供的一种便携式风速风向测量装置，包括：检测模块、A/D转换模块、用于计算风速和风向的单片机、晶振复位模块、计数时钟模块、供电电路模块和显示模块，检测模块包括风速传感器和风向传感器，显示模块为液晶显示屏。
如图2所示，风速传感器为四杯旋转架结构，具有超声波发射器1、第一超声波接收器2-1、第二超声波接收器2-2、第三超声波接收器2-3和第四超声波接收器2-4；第一超声波接收器2-1和第二超声波接收器2-2用于检测x轴的所述自然风的风速，第三超声波接收器2-3和第四超声波接收器2-4用于检测y轴的所述自然风的风速。
第一超声波接收器2-1、第四超声波接收器2-4位于自然风流入巷道一侧，所述第三超声波接收器2-3、第二超声波接收器2-2位于自然风流入巷道另一侧。
装置内的单片机对风传感器的输出频率进行采样，计算。最后装置输出瞬时风速，一分钟平均风速，瞬时风级，一分钟平均风级，平均风级对应的浪高。测得的参数在液晶显示器上用数字直接显示出来。为了减少功耗，传感器和单片机都采取了一些降低功耗的专门措施。为了保证数据的可靠性，装置还带有电源电压检测电路。
实施例2
本实施例提供利用实施例1的一种便携式风速风向测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1：风速传感器检测自然风的风速光信号，风向传感器检测自然风的风向标偏角和水平分量；
S2：所述风速传感器采集所述自然风的风速光信号并传递给所述A/D转换模块，所述风向传感器测量风向标偏角和所述水平分量并传递给所述A/D转换模块；
S3：所述A/D转换模块将所述风速光信号、风向标偏角信号和水平分量信号转化为电信号，单片机初始化，然后一并传递给所述单片机；
S4：单片机接收到串口的数据并判断是否符合命令的数据，是则进行相应的命令分析，是来自于风速传感器还是风向传感器；所述单片机计算所在地的风向和风速：风向是指风的来向，气象上通常用风的来向与真北之间的方位，按顺时针方向递增，如北风为0°，而东风为90°，正南风为180°，正西风为270°；常用的风向以每10°为单位(16个方位)表示；通常以风的来向和真北之间的夹角度数表示；具体包括如下步骤：
S41：分别检测超声波信号从超声波发射器1到第一超声波接收器2-1的时间t1、到第二超声波接收器2-2的时间t2、到第三超声波接收器2-3的时间t3和到第四超声波接收器2-4的时间t4：
Figure BDA0003007813990000071
Figure BDA0003007813990000072
Figure BDA0003007813990000073
Figure BDA0003007813990000074
其中，所述c为无自然风时的超声波波速，所述Vx为自然风于x轴方向的风速，所述Vy为自然风于y轴方向的风速；所述θ为所述x轴或所述y轴与所述超声波发射器1所在平面内，所述超声波接收器与所述超声波发射器1的连线相应地与所述x轴或所述y轴的夹角；所述L为所述超声波接收器至所述超声波发射器(1)轴线的水平距离；
S42：所述单片机分别计算所述时间t1和所述时间t2的第一时间变化量ΔtA，即ΔtA＝t2-t1，所述时间t3和所述时间t4的第二时间变化量ΔtB，即ΔtA＝t3-t4：
Figure BDA0003007813990000075
Figure BDA0003007813990000076
S43：由所述M2步骤的时间变化量求出所述x轴的风速Vx和所述y轴的风速Vy：
Figure BDA0003007813990000077
Figure BDA0003007813990000078
S44：计算所述x轴与所述y轴所在平面内的风速V：
Figure BDA0003007813990000081
S5：单片机对所述S4步骤得到的风向进行单周期相位检测的测量精度计算后，符合测量精度标准后利用S4步骤得到的风向对所述S3步骤直接测量得到的风速进行相关误差修正，并将处理完的数据信息通过串口发送出去，并将计算结果传递给显示模块；如果不是符合命令的数据，则继续等待串口数据；
其中，风速测量精度计算公式如下：
Figure BDA0003007813990000082
其中，所述fs为被测的所述风速电信号的频率，所述fdk为所述计数时钟模块的计时的频率；
风向误差修正公式如下：
Figure BDA0003007813990000083
其中，所述λ为经所述单片机计算修正后的风向；
S6：所述显示模块显示测量结果。
实验结果表明，本申请的便携式测量风向风速装置的风速测量精度为±2％，分辨率为0.05m/s，理论上测量范围可达几百米每秒；风向测量精度为±5°，分辨率为0.5m/s。同时，实验结果的标准偏差小于10％，证明了系统的稳定性。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种便携式风速风向测量装置，其特征在于，包括：检测模块、A/D转换模块、用于计算风速和风向的单片机、晶振复位模块、计数时钟模块、供电电路模块和显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种便携式风速风向测量装置，其特征在于，所述检测模块包括风速传感器和风向传感器。
3.根据权利要求2所述的一种便携式风速风向测量装置，其特征在于，其特征在于，所述风速传感器为四杯旋转架结构，具有超声波发射器(1)、第一超声波接收器(2-1)、第二超声波接收器(2-2)、第三超声波接收器(2-3)和所述第四超声波接收器(2-4)；所述第一超声波接收器(2-1)和所述第二超声波接收器(2-2)用于检测x轴的所述自然风的风速，所述第三超声波接收器(2-3)和所述第四超声波接收器(2-4)用于检测y轴的所述自然风的风速。
4.根据权利要求2所述的一种便携式风速风向测量方法，其特征在于，所述第一超声波接收器(2-1)、第二超声波接收器(2-4)位于自然风流入巷道一侧，所述第三超声波接收器(2-3)、第二超声波接收器(2-2)位于自然风流入巷道另一侧。
5.根据权利要求2所述的一种便携式风速风向测量装置，其特征在于，所述显示模块为液晶显示屏。
6.利用根据权利要求3-5所述的一种便携式风速风向测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：风速传感器检测自然风的风速光信号，风向传感器检测自然风的风向标偏角和水平分量；
S2：所述风速传感器采集所述自然风的风速光信号并传递给所述A/D转换模块，所述风向传感器测量风向标偏角和所述水平分量并传递给所述A/D转换模块；
S3：所述A/D转换模块将所述风速光信号、风向标偏角信号和水平分量信号转化为电信号，单片机初始化，然后一并传递给所述单片机；
S4：单片机接收到串口的数据并判断是否符合命令的数据，是则进行相应的命令分析，是来自于风速传感器还是风向传感器；所述单片机计算所在地的风向和风速；
S5：所述单片机对所述S4步骤得到的风向进行单周期相位检测的测量精度计算后，符合测量精度标准后利用所述S4步骤得到的风向对所述S3步骤直接测量得到的风速进行相关误差修正，并将处理完的数据信息通过串口发送出去，并将计算结果传递给显示模块；如果不是符合命令的数据，则继续等待串口数据；
S6：所述显示模块显示测量结果。
7.根据权利要求6所述的一种便携式风速风向测量方法，其特征在于，所述S4步骤中的单片机计算风速包括以下步骤：
S41：分别检测超声波信号从超声波发射器(1)到第一超声波接收器(2-1)的时间t1、到第二超声波接收器(2-2)的时间t2、到第三超声波接收器(2-3)的时间t3和到第四超声波接收器(2-4)的时间t4：
Figure FDA0003007813980000021
Figure FDA0003007813980000022
Figure FDA0003007813980000023
Figure FDA0003007813980000024
其中，所述c为无自然风时的超声波波速，所述Vx为自然风于x轴方向的风速，所述Vy为自然风于y轴方向的风速；所述θ为所述x轴或所述y轴与所述超声波发射器(1)所在平面内，所述超声波接收器与所述超声波发射器(1)的连线相应地与所述x轴或所述y轴的夹角；所述L为所述超声波接收器至所述超声波发射器(1)轴线的水平距离；
S42：所述单片机分别计算所述时间t1和所述时间t2的第一时间变化量ΔtA，所述时间t3和所述时间t4的第二时间变化量ΔtB：
Figure FDA0003007813980000031
Figure FDA0003007813980000032
S43：由所述M2步骤的时间变化量求出所述x轴的风速Vx和所述y轴的风速Vy：
Figure FDA0003007813980000033
Figure FDA0003007813980000034
S44：计算所述x轴与所述y轴所在平面内的风速V：
Figure FDA0003007813980000035
8.根据权利要求6所述的一种便携式风速风向测量方法，其特征在于，所述S5步骤中的所述风速测量精度计算公式如下：
Figure FDA0003007813980000036
其中，所述fs为被测的所述风速电信号的频率，所述fdk为所述计数时钟模块的计时的频率。
9.根据权利要求6所述的一种便携式风速风向测量方法，其特征在于，所述S5步骤中的风向误差修正公式如下：
Figure FDA0003007813980000037
其中，所述λ为经所述单片机计算修正后的风向。
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