CN202339352U - 高精度固态风速风向测量装置 - Google Patents

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本实用新型涉及一种测量风速和风向的仪器，具体涉及一种高精度固态风速风向测量装置。其结构包括正交分布设置在同一水平面上的两对超声波传感器，每对超声波传感器之间互相发送和接收超声波信号；每个超声波传感器的信号发送端通过发射信号模拟开关与高压脉冲信号发生器连接；每个超声波传感器的信号接收端通过接收信号模拟开关与模拟处理电路连接。本实用新型采用固态传感器手段测量，没有启动风速的要求，没有测量惯性，寿命较长。同时，测量精度较高，测量速度快。

Description

高精度固态风速风向测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种测量风速和风向的仪器，具体涉及一种高精度固态风速风向测量装置。
背景技术
风速和风向是气象测量中的重要参数，现有的测量风速和风向的仪器，一般采用机械式螺旋桨结构的原理，号称“小飞机”。该测量风的方法由于采用机械旋转结构，容易机械磨损，造成测量误差较大，寿命较低。而且，现有的风速风向测量仪器存在机械转动惯性，测量风也有测量惯性。由于有机械转动部件，螺旋桨转动需要一定的启动风速才能驱动其转动，因此这种测量手段还有启动风速的要求，使用中受到一定的限制。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种没有测量惯性、寿命较长，且测量精度高的固态风速风向测量装置。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种高精度固态风速风向测量装置，包括正交分布设置在同一水平面上的两对超声波传感器，每对超声波传感器之间互相发送和接收超声波信号；每个超声波传感器的信号发送端通过发射信号模拟开关与高压脉冲信号发生器连接；每个超声波传感器的信号接收端通过接收信号模拟开关与模拟处理电路连接。
进一步，如上所述的高精度固态风速风向测量装置，其中，所述的超声波传感器为高频收发一体式超声波传感器；每对的两个超声波传感器的探头之间的距离为15厘米。
进一步，如上所述的高精度固态风速风向测量装置，其中，所述的模拟处理电路包括与接收信号模拟开关连接的初级放大电路，初级放大电路与模拟带通滤波器连接，模拟带通滤波器连接绝对值变换电路，绝对值变换电路与峰值保持电路相连接，峰值保持电路连接积分低通滤波电路，积分低通滤波电路连接比较器电路，比较器电路与高精度测量时间电路连接，高精度测量时间电路连接高压脉冲信号发生器。
进一步，如上所述的高精度固态风速风向测量装置，其中，所述的发射信号模拟开关、接收信号模拟开关、模拟处理电路、高压脉冲信号发生器分别与主控制系统电路连接。
进一步，如上所述的高精度固态风速风向测量装置，其中，所述的主控制系统电路还分别与RS485接口电路和传感器温控加热电路连接。
本实用新型的有益效果如下：本实用新型采用固态传感器手段测量，无接触式测量风速风向，没有启动风速的要求，零启动测量。没有机械转动部件，因此没有测量惯性，寿命较长，一般寿命能够达到十年以上。同时，测量精度较高，是原有测量手段的十倍精度，而且不需要现场校准，一次标定终生高精度测量，测量速度快，测量一次过程只需要5mS左右。
附图说明
图1为本实用新型具体实施方式的电路原理框图；
图2为本实用新型的初级放大电路的电路结构图；
图3为本实用新型的模拟带通滤波器电路结构图；
图4为本实用新型的绝对值变换电路的电路结构图；
图5为本实用新型的峰值保持电路的电路结构图；
图6为本实用新型的积分低通滤渡电路和比较器的电路结构图；
图7为本实用新型的发射信号模拟开关控制电路结构图；
图8为本实用新型的接收信号模拟开关控制电路结构图；
图9为本实用新型的RS485接口电路的电路结构图；
图10为本实用新型的传感器温控加热电路的电路结构图；
图11为本实用新型的主控制系统电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，本实用新型采用四个高频收发一体式超声波传感器，两个一对，两对超声波传感器之间按照正交分布(即连线相互垂直)，设置在同一水平面上，两超声波传感器探头间的距离都是15厘米，分别测量一对超声波传感器间的收发时间，然后，解算函数方程，求解出风速和风向。每个超声波传感器的信号发送端通过发射信号模拟开关与高压脉冲信号发生器连接；每个超声波传感器的信号接收端通过接收信号模拟开关与模拟处理电路连接。所述的模拟处理电路包括与接收信号模拟开关连接的初级放大电路，初级放大电路与模拟带通滤波器连接，模拟带通滤波器连接绝对值变换电路，绝对值变换电路与峰值保持电路相连接，峰值保持电路连接积分低通滤波电路，积分低通滤波电路连接比较器电路，比较器电路与高精度测量时间电路连接，高精度测量时间电路连接高压脉冲信号发生器。发射信号模拟开关、接收信号模拟开关、模拟处理电路、高压脉冲信号发生器分别与主控制系统电路连接，主控制系统电路还分别与RS485接口电路和传感器温控加热电路连接。
超声波信号源是驱动超声波传感器发射超声波信号的高压脉冲信号，该高压脉冲信号周期是超声波传感器的共振频率，依次发射5个高压脉冲信号驱动超声波传感器，接收端的超声波传感器探头接收到超声波信号后，将超声波信号转换为电信号。该信号是非常微弱的类似正弦波信号，接收端的模拟处理电路将该正弦波信号放大、滤波、整形变换为方渡信号。采用高精度测量时间电路测量出发射脉冲的方波与接收到超声波的方波信号之间的时间，用于风速的计算。高精度测量时间电路为本领域的公知常识，此处不再过多进行描述。基本的风速计算原理就是用两个超声波传感器之间的距离除以超声波传送的时间，得到超声波的实际速度，用超声波的实际速度减去声速，即得到风速的数值，根据速度矢量即可计算出风向。
由于超声波传感器的探头探测到的信号非常微弱，因此需要进行信号放大，用于信号放大的初级放大电路的结构如图2所示。为了消除干扰信号进入模拟系统，对放大后的信号进行带通滤波，消除低频和高频噪声。模拟带通滤波器的电路结构如图3所示，带通滤波器采用MAX275设计，通过设置外部电阻可以设置相应的中心频率，带通滤波器带宽，放大增益。
为了使得回波峰值波形更加精确平滑，将回波负半轴的信号进行绝对值变换，得到两倍于原回波频率的值频率，绝对值变换电路的结构如图4所示。进一步使用峰值保持电路变换后，得到的波形将非常平滑，有利于后期的进一步处理。峰值保持电路的结构如图5所示，峰值保持电路是将波形的正峰值平滑的连结起来，得到一个峰值曲线，这个曲线包含了回波信号的整体特性，为进行下一步的比较器电路提供精确的波形，该波形越平滑，测量时间的精度越高，是模拟电路捕捉超声波回波信号的关键。峰值保持电路采用经典二极管峰值保持电路，采用高速检波二极管IN60，后面经过阻容低通滤波器滤除高频噪声信号。
将前端模拟电路处理后的回波包络送入积分电路，积分电路将包络信号转换为方波信号。采用较小的积分电阻，将积分电容迅速充电，使得运放输出迅速饱和，达到供电电源电压值。最后将包络信号转换为方波信号，该方波信号送入高速比较器后得到更加陡峭的方波信号，送入时间测量电路。积分低通滤波电路和比较器的电路结构如图6所示。
本实用新型所提供的超声波风速风向测量装置采用四个收发一体式超声波传感器，系统高压脉冲信号发射电路和回波模拟处理电路是共用电路，系统通过控制模拟开关来导通相应的测量通道。定义四个超声波传感器位置分别为N、S、W、E。测量顺序是，N-＞S，W-＞E，S-＞N，E-＞W。当发射高压脉冲电路接通N端时，回波信号处理模拟电路输入端接通S端。依次顺序分别测量超声波信号的度越时间，根据测量原理计算出当前的风速和风向值。为了防止出现控制通道错误，采用二四译码器74LVH139控制超声波收发通道。发射信号模拟开关控制电路结构如图7所示，接收信号模拟开关控制电路结构如图8所示。
超声波风速风向测量装置所测得的数据通过RS485接口对外传输，为了提高该接口的可靠性，采用隔离型RS485接口RSM3485模块，在总线接口有TVS和ESD保护二极管，大大增强了通讯接口的可靠性。RS485接口的电路结构如图9所示。
为了防止在寒冷的季节传感器结冰，在测量装置内部设计加热丝和测温电阻PT1000。使用MSP430F2274的模拟测量通道，测量PT1000电阻的大小，通过查表换算为当前温度。当温度低于零下5℃的时候启动加热丝供电，加热到10℃的时候再停止加热。通过光耦控制N-MOSFET IRLL110的通断控制加热丝的电源供电，加热控制电路如图10所示。
整个风速风向测量装置的控制与运算通过主控制系统电路完成，主控制系统电路的结构如图11所示。主控制系统电路主要负责测量电路的通道切换控制以及对采集结果进行数据处理结算。该电路部分设有看门狗电路，增加系统的可靠性，每200ms执行一次喂狗程序，在X5043芯片中还存有系统的设置参数以及通信协议有关的定义。
本实用新型的软件系统采用C/C++编程，采用IAR开发平台，实现对超声波传感器的测量通道控制、超声波信号源产生、时间测量，最后解算出风速和风向。

Claims (6)

1.一种高精度固态风速风向测量装置，其特征在于：包括正交分布设置在同一水平面上的两对超声波传感器，每对超声波传感器之间互相发送和接收超声波信号；每个超声波传感器的信号发送端通过发射信号模拟开关与高压脉冲信号发生器连接；每个超声波传感器的信号接收端通过接收信号模拟开关与模拟处理电路连接。
2.如权利要求1所述的高精度固态风速风向测量装置，其特征在于：所述的超声波传感器为高频收发一体式超声波传感器。
3.如权利要求2所述的高精度固态风速风向测量装置，其特征在于：每对的两个超声波传感器的探头之间的距离为15厘米。
4.如权利要求1所述的高精度固态风速风向测量装置，其特征在于：所述的模拟处理电路包括与接收信号模拟开关连接的初级放大电路，初级放大电路与模拟带通滤波器连接，模拟带通滤波器连接绝对值变换电路，绝对值变换电路与峰值保持电路相连接，峰值保持电路连接积分低通滤波电路，积分低通滤波电路连接比较器电路，比较器电路与高精度测量时间电路连接，高精度测量时间电路连接高压脉冲信号发生器。
5.如权利要求4所述的高精度固态风速风向测量装置，其特征在于：所述的发射信号模拟开关、接收信号模拟开关、模拟处理电路、高压脉冲信号发生器分别与主控制系统电路连接。
6.如权利要求5所述的高精度固态风速风向测量装置，其特征在于：所述的主控制系统电路还分别与RS485接口电路和传感器温控加热电路连接。
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