CN113671215B - 一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法及系统，方法包括：在无风环境下，测量超声波风传感器的两个互作发射与接收的换能器的渡越时间，测出环境温度并依据所述环境温度求出声音速度，然后计算出换能器迟滞时间，迟滞时间配置到超声波风传感器中；同时检测并计算出换能器的性能参数，结合所述迟滞时间与换能器的性能参数的关系式、关系曲线，选取换能器的工作频率，保持换能器的工作频率和换能器频率为合适频偏。本申请将迟滞作为出厂参数配置到设备中，既提高了测量精度，同时降低了使用复杂性。在环境温度变化时，仅需要微调工作频率即可维持高精度测量；频率的实时测量是伴随性质的，不影响当前的风速风向测量。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法及系统。
背景技术
常用的超声波风传感器分为两种，一类是渡越式，另一类是共振腔方式。渡越式超声波风速风向传感器通常有四颗超声波换能器，也有三颗的情况，两者在算法上有些差异，但在各方向渡越时间测量上面是一致的。
比如，以四颗换能器直接对射式为例，四颗换能器，分别对应东西南北四个方向，在测量时，分别测量北到南的渡越时间，再测南到北的渡越时间，传输距离由结构确定下来，北到南的分量风速是传感器需要测得最终值，分量风速的精度取决于渡越时间的测量精度。迟滞时间很小的测量误差都会导致分量风速比较大的误差，因此如何解决迟滞带来的误差，是提高超声波风传感器精度的关键。
发明内容
本申请实施例提供一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法及系统，通过解决迟滞带来的误差，提高超声波风传感器的精度。
本申请实施例提供一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法，包括：
在无风环境下，测量超声波风传感器的两个互作发射与接收的换能器的渡越时间，测出环境温度并依据所述环境温度求出声音速度；
利用所述渡越时间、声音速度和互作发射与接收的换能器的超声波传输距离，计算出换能器迟滞时间，并将计算得到的迟滞时间配置到超声波风传感器中；同时检测并计算出换能器的性能参数，所述换能器的性能参数至少包括换能器频率、换能器综合品质因子；
根据所述迟滞时间和换能器的性能参数，结合所述迟滞时间与换能器的性能参数的关系式、关系曲线，选取换能器的工作频率，保持换能器的工作频率和换能器频率为合适频偏，优化换能器迟滞时间提高超声波风传感器精度。
优选的，所述测出环境温度并依据所述环境温度求出声音速度，具体为：
其中，c表示声音速度，T为环境温度。
优选的，所述利用所述渡越时间、声音速度和互作发射与接收的换能器的超声波传输距离，计算出换能器迟滞时间，具体为：
则
其中，tos为迟滞时间，t0为渡越时间，D为互作发射与接收的换能器的超声波传输距离，c表示声音速度，T为环境温度。
优选的，所述迟滞时间与换能器的工作参数的关系式为：
tos表示迟滞时间，tos0是一个常数，f0是换能器频率，Q表示换能器综合品质因子，Δf表示工作频率f与换能器频率f0差值，k为常数。
优选的，所述选取的换能器的工作频率与换能器频率的频偏值为换能器频率的10％-20％。
优选的，所述测量超声波风传感器的两个互作发射与接收的换能器发出的待测超声波幅度和频率一致。
本申请实施例还提供一种实现如上述提高超声波风传感器精度的测量和校准方法的系统，包括：高压脉冲电路单元、发开关、发换能器、收换能器、收开关、接收电路单元，所述高压脉冲电路单元输出端连接发开关输入端，所述发开关输出端连接发换能器，所述收开关分别与发换能器、收换能器输入端连接，所述收开关的输出端连接接收电路单元。
优选的，所述发开关连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关连通接收电路单元到收换能器，高压脉冲电路单元发出的高压脉冲串产生时开始计时，当接收电路单元接收到脉冲电信号时停止计时，停止计时与开始计时的时间差为发换能器到收换能器的度越时间。
优选的，所述发开关连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关连通收换能器到接收电路单元，在高压脉冲电路单元发出的高压电脉冲串激励完成后至少100微秒时间，发开关断开所述发换能器，收开关连通发换能器到接收电路单元，接收电路单元根据收到的信号的过零点间隔计算出发换能器频率f0。
优选的，所述发开关、收开关包括中央控制器、信号检测模块、计时芯片、开关控制电路，所述中央控制器与信号检测模块、计时芯片、开关控制电路电连接，所述开关控制电路为电子开关芯片或者MOS开关管，中央控制器为单片机或者ARM处理器，信号检测模块包括信号放大、AD转换电路，计时芯片为时钟芯片。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
1)本申请将迟滞作为出厂参数配置到设备中，既提高了测量精度，同时降低了使用复杂性。
2)本申请在环境温度变化时，仅需要微调工作频率即可维持高精度测量；
3)本申请的频率的实时测量是伴随性质的，不影响当前的风速风向测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法流程图；
图2为换能器的测试通过采用扫频方式的原理框图；
图3为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准系统的原理框图；
图4采用本申请的测量和校准方法得到的换能器之间的迟滞时间关于频偏的关系曲线图；
图5为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准系统的发开关、收开关的具体原理框图；
图6为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准系统的发开关与外围模块连接原理框图；
图7为本申请一种提高超声波风传感器精度的测量和校准系统的收开关与外围模块连接原理框图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例1
如图1所示，本申请提供一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法，包括：
(1)在无风环境下，测量超声波风传感器的两个互作发射与接收的换能器的渡越时间，测出环境温度并依据环境温度求出声音速度；具体为：
其中，c表示声音速度，T为环境温度。
(2)利用渡越时间、声音速度和互作发射与接收的换能器的超声波传输距离，计算出换能器迟滞时间，具体为：
则
其中，tos为迟滞时间，t0为渡越时间，D为互作发射与接收的换能器的超声波传输距离，c表示声音速度，T为环境温度。
将计算得到的迟滞时间配置到超声波风传感器中，同时检测并计算出换能器的性能参数；换能器的性能参数至少包括换能器频率、换能器综合品质因子。
(3)根据迟滞时间和换能器的性能参数，结合迟滞时间与换能器的性能参数的关系式、关系曲线，选取换能器的工作频率，保持换能器的工作频率和换能器频率为合适频偏，优化换能器迟滞时间提高超声波风传感器精度。其中，迟滞时间与换能器的工作参数的关系式为：
tos表示迟滞时间，tos0是一个常数(可能与换能器结构尺寸，材料特性相关，针对我们的应用，可以认为是常数)，f0是换能器频率，Q表示换能器综合品质因子，Δf表示工作频率f与换能器频率f0差值，k为常数，约为2。根据反正切函数的值域取值范围，可以知道迟滞时间的变化范围为T0为换能器自由振荡周期。取tos0＝3us,f0＝200KHz,k＝2,Q＝6,将这些值代入下式：
可以得到迟滞时间tos关于频偏Δf的关系曲线如图4所示。观察图4曲线，发现迟滞时间曲线的斜率随频偏的绝对值增加快速变小，也就是说迟滞时间在频偏绝对值较大时，他对于频率的变化变得不敏感了，基于这个特点，在选取工作频率时，就可以特意保留一个较大的频偏值，一般选取工作频率与换能器频率的频偏值为换能器频率的10％-20％，使得迟滞时间处于稳定区间，最终使得传感器测得的分量风速较为准确。
考虑到换能器的频率会随着周围环境的温度发生变化，这就需要实时测量换能器的频率f0，用以确定工作频率f。另外，各方向度越时间中的迟滞包括发射端和接收端两个换能器的迟滞，这就要求收发两颗换能器需要配对，一般的配对仅考虑幅度大小一致，这里的配对需要增加频率一致这一约束条件。
实施例2
常用的超声波风传感器分为两种，一类是渡越式，另一类是共振腔方式。渡越式超声波风速风向传感器通常有四颗超声波换能器，也有三颗的情况，两者在算法上有些差异，但在各方向渡越时间测量上面是一致的。
比如，以四颗换能器直接对射式为例，四颗换能器，分别对应东西南北四个方向，在测量时，分别测量北到南的渡越时间，记为tns，再测南到北的渡越时间，记为tsn，传输距离有结构确定下来，是已知数，这里用D表示，声音速度是未知参数用c表示，北到南的分量风速是我们想要的，设为vns，则按照上面的测试，可列出下面两个方程：
联立上面两个方程，则很容易计算出北到南的分量风速：
再按照同样的方式可以得到东到西的分量风速，接下来就是利用分量风速合成风速风向。观察上面的分量风速公式(方程3)，分量风速的精度取决于渡越时间的测量精度。
换能器在接收到电脉冲后产生振荡，该机械振荡与电脉冲并不同相，有一个迟滞时间，同样接收方换能器在接收到超声波后会产生电信号，该电信号与接收到的超声波脉冲也不同相，这里也有一个迟滞时间，迟滞时间与换能器的Q值、工作频率、换能器通频带频率等因素相关，考虑这些因素后，前面谈到的方程1与方程2可改写为如下形式：
上面tos1表示北换能器发射时迟滞时间加上南换能器接收时迟滞时间，tos2表示南换能器发射时迟滞时间加上北换能器接收时迟滞时间，这两个参数一般并不相等，原因是多方面的。迟滞对测量结果影响很大，这里方程四等式两边做微分，并令其为0：
假如声音速度c为340米每秒，度越距离D为10厘米，Δtos1为1微秒，代入方程7，可计算出Δvns为1.156米每秒。
可见，迟滞时间很小的测量误差Δtos1都会导致分量风速比较大的误差，因此如何解决迟滞带来的误差，是提高超声波风传感器精度的关键。
参见上述方程4与方程5，共有4个未知量，为求出tos1与tos2，可以用温度计测出环境温度，再利用下面这个方程求出声音速度。
其中，c表示声音速度，T为环境温度。
若认为tos1与tos2与风速基本无关，这样可以在无风环境下做度越时间测量，针对南北方向，可以得到如下两个方程：
再联立方程8，可以得到tos1与tos2:
同理可以得到东到西的迟滞时间tos3和西到东的迟滞时间tos4，这四个值在设备出厂时作为参数配置到设备中，即可解决迟滞带来的误差影响。
迟滞大小与换能器频率相关，而换能器的通频带频率又受环境温度影响，这就需要解决迟滞的频率敏感性问题。通过反复试验，得到这样一个经验公式：
tos表示迟滞时间，tos0是一个常数(可能与换能器结构尺寸，材料特性相关，针对我们的应用，可以认为是常数)，f0是换能器频率，Q表示换能器综合品质因子，Δf表示工作频率f与换能器频率f0差值，k为常数，约为2。根据反正切函数的值域取值范围，可以知道迟滞时间的变化范围为T0为换能器自由振荡周期。取tos0＝3us,f0＝200KHz,k＝2,Q＝6,将这些值代入下式：
可以得到迟滞时间tos关于频偏Δf的关系曲线如图4所示，发现迟滞时间曲线的斜率随频偏的绝对值增加快速变小，也就是说迟滞时间在频偏绝对值较大时，他对于频率的变化变得不敏感了，基于这个特点，在选取工作频率时，就可以特意保留一个较大的频偏值，一般选取工作频率与换能器频率的频偏值为换能器频率的10％-20％，使得迟滞时间处于稳定区间，最终使得传感器测得的分量风速较为准确。
考虑到换能器的频率会随着周围环境的温度发生变化，这就需要实时测量换能器的频率f0，用以确定工作频率f。另外，各方向度越时间中的迟滞包括发射端和接收端两个换能器的迟滞，这就要求收发两颗换能器需要配对，一般的配对仅考虑幅度大小一致，这里的配对需要增加频率一致这一约束条件。
实施例3
为了实现实施例1或者实施例2的实现方法，本申请实施例还提供一种实现如上述提高超声波风传感器精度的测量和校准方法的系统。
传统换能器的测试通过是采用扫频方式，原理如图2所示。首先开关连通高压脉冲发生器与换能器，调整高压脉冲发生器脉冲个数、幅度、频率参数，并启动，紧接着将开关连通换能器与示波器通道，观察换能器收到的反射信号，再换一个频率重复这个过程，找出幅度最大时对应的频点，该频点就是换能器的频率。实际的扫频测试需要硬件电路支持才可以操作，这里只是讲一个原理。
针对超声波风速风向传感器设备，显然无法使用这种扫频方式测量换能器频率，一是缺少反射板这一硬件，若紧靠对方的换能器做反射，其信号幅度太小，基本无法识别，另外设备在工作时也没有时间做这种测量，针对该种设备，需要开发一种伴随方式的频率测量。也就是说频率测量工作不能影响正常的风速风向测量。
本申请实施例提供一种实现如上述提高超声波风传感器精度的测量和校准系统，如图3所示，包括：高压脉冲电路单元、发开关、发换能器、收换能器、收开关、接收电路单元，高压脉冲电路单元输出端连接发开关输入端，发开关输出端连接发换能器，收开关分别与发换能器、收换能器输入端连接，收开关的输出端连接接收电路单元。其中，高压脉冲电路单元为超声波发生器，接收电路单元为用于显示超声波信号的显示屏、示波器或者其他信号测试仪器。其中，发开关、收开关的信号检测模块与计时芯片的计时触发引脚电连接，发开关的开关控制电路与发换能器电连接，收开关的开关控制电路包括两路通断控制电路，两路通断控制电路分别与发换能器、收换能器电连接。
在测试发换能器到收换能器的渡越时间时，发开关连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关连通接收电路单元到收换能器，高压脉冲电路单元的高压脉冲信号触发计时芯片开始计时，收开关的高压脉冲电信号接收端触发计时芯片停止计时，停止计时与开始计时的时间差为发换能器到收换能器的渡越时间。
同时，超声波脉冲从发换能器发出超声波到收换能器需要一定时间，该时间与温度、风速、结构尺寸相关，本申请谈到的频率测试就是利用这段时间完成的，换能器在高压电脉冲结束后，其振荡不会马上停止，有很长时间的余震，而余震的频率恰好是换能器的频率，与激励的电脉冲频率无关。
在测试计算发换能器频率时，发开关连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关连通收换能器到接收电路单元，在高压脉冲电路单元发出的高压电脉冲串激励完成后至少100微秒时间，发开关断开发换能器，收开关连通发换能器到接收电路单元，接收电路单元根据收到的信号的过零点间隔计算出发换能器频率f0，在完成发换能器频率f0测量后，收开关断开发换能器，再将收换能器连接到接收电路单元，接下去再进行正常的渡越时间测量。其它换能器的频率测量原理与此一样，此处不再赘述。
如图5所示，发开关、收开关包括中央控制器、信号检测模块、计时芯片、开关控制电路，中央控制器与信号检测模块、计时芯片、开关控制电路电连接，开关控制电路为电子开关芯片或者MOS开关管，中央控制器为单片机或者ARM处理器，信号检测模块包括信号放大、AD转换电路，计时芯片为时钟芯片。其中，中央控制器根据信号检测模块、计时芯片得到的对应参数，向开关控制电路发出控制信号，实现渡越时间测量或者换能器频率频率测试。
如图6、7所示，发开关、收开关的信号检测模块与计时芯片的计时触发引脚电连接，发开关、收开关在测量发换能器到收换能器的渡越时间时，发开关的计时芯片的计时触发引脚通过信号检测模块采集发换能器的信号发出时间，并开始计时，收开关的计时芯片的计时触发引脚通过信号检测模块采集收换能器的信号收到时间，并停止计时，停止计时与开始计时的时间差即为渡越时间。
发开关的开关控制电路用于控制高压脉冲电路单元与发换能器的通断，收开关的开关控制电路用于控制接收电路单元与发换能器或者收换能器的通断，分别用于测量发换能器到收换能器的渡越时间和发换能器频率。如图7所示，收开关的开关控制电路的1、2端分别连接发换能器、收换能器，通过选通1、3或者2、3实现接收不同换能器的信号。
具体测试过程如下：
在测试发换能器到收换能器的渡越时间时，发开关的中央控制器控制开关控制电路连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关的中央控制器控制开关控制电路连通接收电路单元到收换能器，高压脉冲电路单元发出的高压脉冲串通过信号检测模块检测到，然后发开关的中央控制器控制计时芯片开始计时。当接收电路单元接收到脉冲电信号时，收开关的中央控制器控制计时芯片停止计时，停止计时与开始计时的时间差为发换能器到收换能器的渡越时间。
按照上述所述的换能器在高压电脉冲结束后，其振荡不会马上停止，有很长时间的余震，而余震的频率恰好是换能器的频率，与激励的电脉冲频率无关。因此，发换能器频率测试过程如下。
当发开关的时钟芯片检测到高压脉冲电路单元发出的高压电脉冲串激励完成后，发开关的中央控制器控制开关控制电路断开发换能器，而发换能器振荡不会马上停止，有很长时间的余震，而余震的频率恰好是换能器的频率。
收开关的中央控制器控制开关控制电路连通发换能器到接收电路单元，接收电路单元根据收到的信号的过零点时间间隔计算出发换能器频率f0，这一过程约需要30微秒，因为过零点的时间间隔为这个余震信号一个周期的时间T，因此换能器频率f0与这个周期时间T的关系为：f0＝1/T。
在完成发换能器频率f0测量后，收开关断开发换能器，再将收换能器连接到接收电路单元，接下去再进行正常的渡越时间测量。其它换能器的频率测量原理与此一样，此处不再赘述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法，其特征在于，包括：
在无风环境下，测量超声波风传感器的两个互作发射与接收的换能器的渡越时间，测出环境温度并依据所述环境温度求出声音速度；
利用所述渡越时间、声音速度和互作发射与接收的换能器的超声波传输距离，计算出换能器迟滞时间，并将计算得到的迟滞时间配置到超声波风传感器中；同时检测并计算出换能器的性能参数，所述换能器的性能参数至少包括换能器频率、换能器综合品质因子；
根据所述迟滞时间和换能器的性能参数，结合所述迟滞时间与换能器的性能参数的关系式、关系曲线，选取换能器的工作频率，保持换能器的工作频率和换能器频率为合适频偏，优化换能器迟滞时间提高超声波风传感器精度；
所述利用所述渡越时间、声音速度和互作发射与接收的换能器的超声波传输距离，计算出换能器迟滞时间，具体为：
则
其中，tos为迟滞时间，t0为渡越时间，D为互作发射与接收的换能器的超声波传输距离，c表示声音速度，T为环境温度；
所述迟滞时间与换能器的工作参数的关系式为：
tos表示迟滞时间，tos0是一个常数，f0是换能器频率，Q表示换能器综合品质因子，Δf表示工作频率f与换能器频率f0差值，k为常数；
所述选取的换能器的工作频率与换能器频率的频偏值为换能器频率的10％-20％。
2.根据权利要求1所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法，其特征在于，所述测出环境温度并依据所述环境温度求出声音速度，具体为：
其中，c表示声音速度，T为环境温度。
3.根据权利要求1所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准方法，其特征在于，所述测量超声波风传感器的两个互作发射与接收的换能器发出的待测超声波幅度和频率一致。
4.一种实现如权利要求1-3任意一项所述提高超声波风传感器精度的测量和校准方法的系统，其特征在于，包括：高压脉冲电路单元、发开关、发换能器、收换能器、收开关、接收电路单元，所述高压脉冲电路单元输出端连接发开关输入端，所述发开关输出端连接发换能器，所述收开关分别与发换能器、收换能器输入端连接，所述收开关的输出端连接接收电路单元。
5.根据权利要求4所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准系统，其特征在于，所述发开关连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关连通接收电路单元到收换能器，高压脉冲电路单元发出的高压脉冲串产生时开始计时，当接收电路单元接收到脉冲电信号时停止计时，停止计时与开始计时的时间差为发换能器到收换能器的度越时间。
6.根据权利要求4所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准系统，其特征在于，所述发开关连通高压脉冲电路单元到发换能器，收开关连通收换能器到接收电路单元，在高压脉冲电路单元发出的高压电脉冲串激励完成后至少100微秒时间，发开关断开所述发换能器，收开关连通发换能器到接收电路单元，接收电路单元根据收到的信号的过零点间隔计算出发换能器频率f0。
7.根据权利要求4所述的一种提高超声波风传感器精度的测量和校准系统，其特征在于，所述发开关、收开关包括中央控制器、信号检测模块、计时芯片、开关控制电路，所述中央控制器与信号检测模块、计时芯片、开关控制电路电连接，所述开关控制电路为电子开关芯片或者MOS开关管，中央控制器为单片机或者ARM处理器，信号检测模块包括信号放大、AD转换电路，计时芯片为时钟芯片。
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