CN113252937A - 一种小型化超声波风速传感器及其风速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化超声波风速传感器及其风速测量方法，属于传感器技术领域，包括圆柱形顶盖、超声波换能器测风阵列和圆柱形底盖；超声波换能器测风阵列包括：圆形采集控制电路板、圆形探头座、ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱、圆形反射板以及圆形供电通信电路板；采集控制电路板包括微控制器、单输入‑多输出多路选择器、前级驱动放大电路、正方形分布超声波换能器探头模块组、多输入‑单输出多路选择器以及滤波、放大、整形电路；探头座包括底座和安装座；超声波换能器探头与采集控制电路板相连；ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱包括铜芯，铜芯包裹有绝缘材料；采集控制电路板通过ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱与供电通信电路板进行数据交互。

Description

一种小型化超声波风速传感器及其风速测量方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种小型化超声波风速传感器及其风速测量方法。

背景技术

众所周知，超声波风速传感器作为一种先进的风速测量技术和设备，已经广泛应用于气候监控、环境检测以及应急保障等诸多领域中。超声波风速传感器具有无转动元件、可长期无人值守、结构简约和维护方便等优点，在相当长的时间内已显示出了独特的不可替代的作用。

从测量结构上来讲，目前市面上的超声波风速传感器大致分为两类：

一类是采用脉冲对射式的二维超声波换能器阵列结构，4枚超声波换能器相互发射脉冲并接收回波信号。阵列结构与信号传输路径如图13所示。TR1，TR2为收发一体超声波换能器探头，它们传输声程为L(水平分布间距)。结合超声波信号在顺风和逆风条件下的传输时间t₁和t₂，超声波在空气中的传输速度c，风速分量v，简要分析如下：

顺风时接收到超声波回波信号，则

(c+v)·t₁＝L (1)

逆风时接收到超声波回波信号，则

(c-v)·t₂＝L (2)

计算此方向风速为：

受传统时差法测量原理的限制，这类结构中超声波信号的传输声程就是收发超声波换能器之间的水平分布间距，为了使超声波激励信号和超声波回波信号不发生重叠现象，进而影响信号传输时间差的准确判别，需要尽可能地考虑收发超声波换能器之间的水平分布间距和超声波回波信号的余震特性，一般会设计使得超声波换能器水平分布间距足够大以满足测量需求；

另一类是采用一次脉冲反射式的二维超声波换能器阵列结构，4枚超声波换能器相互发射脉冲并通过信号反射后接收回波信号。一次脉冲反射式二维超声波换能器阵列结构及信号传输路径如图14所示。TR1′，TR2′为收发一体超声波换能器探头，它们水平分布间距为L′。结合超声波信号在顺风和逆风条件下的传输时间t′₁和t′₂，超声波在空气中的传输速度分量c′，风速分量v′，简要分析如下：

c′＝c·sinθ (4)

顺风时接收到超声波回波信号，则

(c′+v′)·t′₁＝L′ (5)

逆风时接收到超声波回波信号，则

(c′-v′)·t′₂＝L′ (6)

计算此方向风速为：

这类结构中超声波信号通过一次脉冲反射增加传输声程，可以在减小收发超声波换能器之间水平分布间距的同时，更好地避免发生超声波激励信号和超声波回波信号的重叠现象，降低超声波回波信号的余震特性带来的不良影响，但是这种结构的传感器虽较上类结构尺寸有所减小，但整体尺寸仍然较大。

此外，超声波换能器探头作为精密测量元件，设备调试时需要反复、多次测试，一旦损坏也需要拆卸、更换，目前超声波换能器的板载连接方式大都采用直接焊接的工艺，虽然结构牢固，但是不便于调试、拆卸及更换。

风速作为最基础的气象观测要素之一，气象观测装备中的无人机模块式气象载荷，智能无人艇、锚泊浮台、船舶、浮标等搭载的自动气象观测仪器等都要求对风速进行快速、精确、稳定、可靠地测量，且往往需要大规模、多网格布放。综上所述，设计开发解决上述问题的小型化超声波风速传感器具有深远的意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种小型化超声波风速传感器，针对目前气象、海洋等领域的观测中大量使用超声波风速传感技术与设备的现状与迫切需求，结合改进后的风速测量方法和精细化的小型结构设计，基于超声波多路径回波信号反射法设计一种多重脉冲反射式的二维正方形超声波换能器阵列结构，克服传统超声波风传感器由于信号余震和传输声程等制约因素导致超声波风速传感器无法进一步小型化的具体弊端，不仅可丰富和发展现有超声波风速测量理论和技术，为实现超声波风传感器小型化提供新的方法和开辟新的途径，对于深入了解超声波风传感器的工作原理、改善其结构设计以提高性能等具有一定的指导意义，而且在组建风传感器网络，发展多数据融合、多物理参数检测的自动气象站以及建立天、地、海、空一体化的综合气象观测站网等中都具有广泛的应用前景和现实意义，同时对于解决相近领域内超声波测量甚至流量测量等具体问题也有一定的借鉴和参考价值。

本发明的第一目的是提供一种小型化超声波风速传感器，自上而下依次包括：

圆柱形顶盖(1)，

超声波换能器测风阵列(2)，所述超声波换能器测风阵列自上而下依次包括：圆形采集控制电路板(7)、圆形探头座(4)、ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱(6)、圆形信号反射板(5)和圆形供电通信电路板(8)；

圆柱形底盖(3)；

所述探头座(4)包括底座和安装座；所述安装座上开设有放置超声波换能器探头的四个安装槽；所述安装座和底座之间放置有防水透声膜(13)；所述超声波换能器探头的接线端与采集控制电路板(7)间接相连；

所述ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱(6)包括铜芯(23)，在所述铜芯(23)的外壁包裹有绝缘材料(22)，在所述铜芯(23)的两端分别设置有密封圈一(24)和密封圈二(25)；

所述采集控制电路板(7)通过ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱(6)与供电通信电路板(8)进行数据交互。

所述采集控制电路板(7)包括微控制器一(26)、单输入-多输出多路选择器(27)、前级驱动放大电路(28)、超声波换能器探头模块组(29)、多输入-单输出多路选择器(30)以及滤波、放大、整形电路(31)；

优选地，所述超声波换能器探头的接线端通过铜质爪簧插拔工艺与采集控制电路板(7)间接相连。

优选地，所述超声波换能器探头的接线端通过辅助线缆焊接工艺与采集控制电路板(7)间接相连。

优选地，所述超声波换能器测风阵列(2)不同于对射式二维十字形和一次脉冲反射式二维十字形的两种超声波换能器测风阵列，采用的是多次脉冲反射式的二维正方形超声波换能器测风阵列，信号传输路径也不同，采用的是超声波换能器发射信号后，回波信号经多次反射后被接收的信号传输路径。

本发明的第二目的是提供一种小型化超声波风速传感器的风速测量方法，所述风速测量方法为：

S1、获取基础数据；所述基础数据包括两个超声波换能器探头之间的水平分布间距为L″；顺逆风条件下各轴上的信号传输时间t_AB、t_BA、t_CD、t_DC、t_AC、t_CA、t_BD、t_DB；无风条件下各轴上的信号传输时间t′_AB、t′_BA、t′_CD、t′_DC、t′_AC、t′_CA、t′_BD、t′_DB。

S2、依据下列公式进行风速测量；

L″为两个超声波换能器探头之间的水平分布间距，v为风速，

为风向角，v_AB、v_CD、v_AC、v_BD分别为AB、CD、AC、BD轴上的风速分量，v_NS和v_EW分别为NS和EW轴上的风速分量，c_AB、c_CD、c_AC、c_BD分别为AB、CD、AC、BD轴上超声波在空气中的传输速度分量，t′_AB、t′_BA、t′_CD、t′_DC、t′_AC、t′_CA、t′_BD、t′_DB分别为AB、CD、AC、BD轴上无风条件下的信号传输时间，t_AB、t_BA、t_CD、t_DC、t_AC、t_CA、t_BD、t_DB分别为AB、CD、AC、BD轴上顺逆风条件下的信号传输时间。

本申请的有益效果是：

1.本发明采用了圆柱体外形结构和塔式电路结构二者相结合的方式，基于这种超声波多重回波信号反射法的风速测量原理，建立风速在各方向上的速度分量仅与超声波在空气中的传播速度和超声波传输时间有关的函数关系。即使发射面和反射面之间的距离、两个超声波换能器之间的水平间距均很小，激励一个超声波换能器发射信号后，超声波回波信号依然可以经过反射面和发射面的多次反射被另一个超声波换能器接收。回波信号的反射路径足够长，从而能够避免信号余震特性和传播声程不足带来的不良影响。发射面和反射面之间的距离、两个超声波换能器之间的水平间距都可以很小，可以实现超声波风速传感器小型化。因此，这种设计既能增加超声波换能器的信号传输声程，又能实现超声波风速测量装置的小型化；

2.本发明改进了超声波换能器探头的安装方法，一方面，不使用防水型超声波换能器探头，而是将普通超声波换能器探头采用内嵌式的安装方法，配合密封圈和防水透声膜，在不影响测量效果的前提下，降低成本，提高性价比；另一方面，超声波换能器探头接线端通过铜质爪簧插拔方式或辅助线缆焊接方式与采集控制电路板间接相连，便于调试、拆卸及更换。

3.本发明增加了支撑柱数量，改进了支撑柱工艺，支撑柱外部采用绝缘材料，内部采用铜芯设计，既增强了测量装置的结构强度，同时又利用铜的导电特性和抗氧化能力，将多层测量电路板间的供电系统和通信系统可靠地连接在了一起，显著增强了测量结构可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明优选实施例的结构图；

图2为本发明优选实施例中测风阵列的结构示意图；

图3为本发明优选实施例中探头安装座的结构示意图；

图4为本发明优选实施例中探头底座的结构示意图；

图5为本发明优选实施例中探头的结构示意图；

图6为本发明优选实施例中探头爪簧连接方式示意图；

图7为本发明优选实施例中探头辅助焊线连接方式示意图；

图8为本发明优选实施例中探头座组装效果图；

图9为本发明优选实施例中外部绝缘材料铜芯导电支撑柱结构示意图；

图10为本发明优选实施例中信号采集控制硬件电路结构示意图；

图11为本发明优选实施例中风速测量原理示意图；

图12为本发明优选实施例中风速计算方法示意图；

图13为脉冲对射式二维超声波换能器阵列结构及信号传输路径示意图；

图14为一次脉冲反射式二维超声波换能器阵列结构及信号传输路径示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图1，一种小型化超声波风速传感器，包括：

圆柱形顶盖1，

超声波换能器测风阵列2，请参阅图2，所述超声波换能器测风阵列自上而下依次包括：圆形采集控制电路板7、圆形探头座4、ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱6、圆形反射板5和圆形供电通信电路板8；

圆柱形底盖3；其中：

请参阅图3和图4，所述探头座4包括底座和安装座；所述安装座上开设有放置超声波换能器探头的四个安装槽，四个安装槽分别为左侧安装槽11、右侧安装槽12、上侧安装槽9、下侧安装槽10；所述安装座和底座之间放置有防水透声膜13；所述超声波换能器探头的接线端与采集控制电路板7间接相连；

请参阅图5至图8，安装座上的每个安装槽放置有一枚超声波换能器探头，超声波换能器探头的第一接线端14、第二接线端15通过第一铜质爪簧16、第二铜质爪簧17插拔方式或第三接线端18、第四接线端19通过第一辅助线缆20、第二辅助线缆21焊接方式与采集控制电路板7间接相连在一起，这种解耦方式便于超声波换能器探头的调试、拆卸及更换，组装后的效果如图8所示；

请参阅图9，所述ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱6包括铜芯23，在所述铜芯23的外壁包裹有绝缘材料22，在所述铜芯23的两端分别设置有密封圈一24和密封圈二25；

所述采集控制电路板7通过ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱6与供电通信电路板8进行数据交互；

请参阅图10，所述采集控制电路板7包括微控制器26、单输入-多输出多路选择器27、前级驱动放大电路28、超声波换能器探头模块组29、多输入-单输出多路选择器30以及滤波、放大、整形电路31。

请参阅图11，本发明的工作原理：改进传统时差法风速测量原理，提出一种基于超声波多重回波信号反射法的风速传感新方法，明确风速在各方向上的速度分量仅与超声波在空气中的传播速度和超声波传输时间之间的新函数关系，构建小型化多次脉冲反射式超声波换能器阵列结构。TR1″，TR2″为收发一体超声波换能器探头，它们水平分布间距为L″，结合超声波信号在顺风和逆风条件下的传输时间t₃和t₄，在无风下的传输时间t′₃和t′₄，超声波在空气中的传输速度分量c″，风速分量v″，分析如下：

顺风时接收到超声波回波信号，则

(c″+v″)·t₃＝L″ (9)

逆风时接收到超声波回波信号，则

(c″-v″)·t₄＝L″ (10)

计算此方向风速为：

基于这种超声波多重回波信号反射法的风速测量原理，建立风速在各方同上的速度分量仅与超声波在空气中的传播速度和超声波传输时间有关的函数关系。即使发射面和反射面之间的距离、两个超声波换能器之间的水平间距均很小，激励一个超声波换能器发射信号后，超声波回波信号依然可以经过反射面和发射面的多次反射被另一个超声波换能器接收。回波信号的反射路径足够长，从而能够避免信号余震特性和传播声程不足带来的不良影响。发射面和反射面之间的距离、两个超声波换能器之间的水平间距都可以很小，可以实现超声波换能器阵列的小型化。

请参阅图12，

所述风速测量方法计算工序为：

S1、获取基础数据；所述基础数据包括两个超声波换能器探头之间的水平分布间距为L″；顺逆风条件下各轴上的信号传输时间t_AB、t_BA、t_CD、t_DC、t_AC、t_CA、t_BD、t_DB；无风条件下各轴上的信号传输时间t′_AB、t′_BA、t′_CD、t′_DC、t′_AC、t′_CA、t′_BD、t′_DB。

S2、依据下列公式进行风速测量；

L″为两个超声波换能器探头之间的水平分布间距，v为风速，

为风向角，v_AB、v_CD、v_AC、v_BD分别为AB、CD、AC、BD轴上的风速分量，v_NS和v_EW分别为NS和EW轴上的风速分量，c_AB、c_CD、c_AC、c_BD分别为AB、CD、AC、BD轴上超声波在空气中的传输速度分量，t′_AB、t′_BA、t′_CD、t′_DC、t′_AC、t′_CA、t′_BD、t′_DB分别为AB、CD、AC、BD轴上无风条件下的信号传输时间，t_AB、t_BA、t_CD、t_DC、t_AC、t_CA、t_BD、t_DB分别为AB、CD、AC、BD轴上顺逆风条件下的信号传输时间。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种小型化超声波风速传感器，其特征在于，自上而下依次包括：

圆柱形顶盖(1)，

超声波换能器测风阵列(2)，所述超声波换能器测风阵列自上而下依次包括：圆形采集控制电路板(7)、圆形探头座(4)、ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱(6)、圆形反射板(5)和圆形供电通信电路板(8)；

圆柱形底盖(3)；其中：

所述采集控制电路板(7)包括微控制器(26)、单输入-多输出多路选择器(27)、前级驱动放大电路(28)、超声波换能器探头模块组(29)、多输入-单输出多路选择器(30)以及滤波、放大、整形电路(31)；

所述探头座(4)包括底座和安装座；所述安装座上开设有放置有超声波换能器探头的四个安装槽；所述安装座和底座之间放置有防水透声膜(13)；所述超声波换能器探头的接线端与采集控制电路板(7)通过铜质爪簧工艺或线缆焊接工艺间接连接；

所述ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱(6)包括铜芯(23)，在所述铜芯(23)的外壁包裹有绝缘材料(22)，在所述铜芯(23)的两端分别设置有第一密封圈(24)和第二密封圈(25)；

所述采集控制电路板(7)通过ABS绝缘材料铜芯导电支撑柱(6)与供电通信电路板(8)进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的小型化超声波风速传感器，其特征在于：所述超声波换能器探头的接线端通过铜质爪簧插拔方式与采集控制电路板(7)间接相连。

3.根据权利要求1所述的小型化超声波风速传感器，其特征在于：所述超声波换能器探头的接线端通过辅助线缆焊接方式与采集控制电路板(7)间接相连。

4.一种小型化超声波风速传感器的风速测量方法，其特征在于：所述小型化超声波风速传感器为权利要求1-3任一项所述的小型化超声波风速传感器；所述风速测量方法具体为：

S1、获取基础数据；所述基础数据包括两个超声波换能器探头之间的传输声程L′；顺逆风条件下各轴上的信号传输时间t_AB、t_BA、t_CD、t_DC、t_AC、t_CA、t_BD、t_DB；无风条件下各轴上的信号传输时间t′_AB、t′_BA、t′_CD、t′_DC、t′_AC、t′_CA、t′_BD、t′_DB；

S2、依据下列公式进行风速测量；

v为风速，

为风向角，v_AB、v_CD、v_AC、v_BD分别为AB、CD、AC、BD轴上的风速分量，v_NS和v_EW分别为NS和EW轴上的风速分量，c_AB、c_CD、c_AC、c_BD分别为AB、CD、AC、BD轴上超声波在空气中的传输速度分量。

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