CN203241431U

CN203241431U - 一种舰载超声波测风仪

Info

Publication number: CN203241431U
Application number: CN 201320009813
Authority: CN
Inventors: 许光; 周斌; 盖颖颖; 周谆; 周燕
Original assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2023-01-09

Abstract

本实用新型公开了一种舰载超声波测风仪，整个仪器包括两个部分：前端的超声波探头以及后端的控制电路。整个控制电路以及显示部分都安装在长方体的底座中，超声波探头分为两组，用来测量东西和南北方向上的两个风速和风向。此外，装置集成了多个外围模块，包括：数字指南针、GPS模块、陀螺仪、加速度传感器、数据存储模块以及通信接口。通过通信接口，可以使用不同的命令来完成人机交互的过程，实现不同参数的设置，从而让仪器满足需求。测量的数据可以保存到数据存储模块中，通过GPS、数字指南针等外围模块可以对风向进行修正，达到较好的测量效果。

Description

一种舰载超声波测风仪

技术领域

本发明涉及风速和风向的测量仪器，特别涉及一种适合在舰船上运用的超声波测风仪。

背景技术

现阶段的风速风向仪主要有三种：机械式、热敏式以及超声波式。机械式风速风向仪由于其固有的机械特性，在不断的使用中器件本身就会有磨损，造成精度下降，尤其是在海上使用时，由于外界环境的变化快，加之盐分较大等因素，磨损尤为严重；热敏式风速风向仪是利用热敏探头的热量流失来计算风速的，这个就要求其周围的温度比较稳定，否则精度不能保证，从而极大的影响了它的应用；超声波测风仪是一种新型的测风仪器，由于其采用独特的超声波作为测量手段，避免了机械式的磨损和热敏式的环境限制，使其应用前景非常光明。目前的超声波测风仪大多是以固定方向(例如以北方为基准)来测量风速风向的，但是舰船的移动是无法固定方向的，所以这种传统的超声波测风仪直接在舰船上使用是比较困难的。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案提供了一种设备集成度较高的超声波测风仪，其中包括长方体底座、风速风向测量装置以及完备的外围辅助装置。具体而言，这种舰载超声波测风仪，其特征在于：所述测风仪包括底座、测风系统；测风系统包括测风装置以及底座内的控制电路；所述测风装置与后端的控制电路以及显示装置集成在一起，带有航向校正及定位功能；所述测风装置包括两对超声波收发一体式的超声波探头组成测量子单元，直立在测风装置的前端；每组中的两个超声波探头相互垂直并且分布在同一个水平面内、间距为20cm；所述控制电路安装在长方体的底座内，显示装置安装在底座表面，超声波探头安装在底座之外。

本装置设计的目的在于提供一种适合在舰船上使用的超声波测风仪，其主要特征是仪器本身集成了方向测量和定位设备，结合超声波探头就可以在舰船的移动过程中仍然能够检测风速和风向。风速风向测量装置通过两对相互垂直的超声波探头测量出正反方向超声波的传播时间，然后利用这个传播时间的差来计算出该方向上的风速，利用同样的方法再测量出另外一个方向上的风速，从而就可以得到总的风速；根据矢量计算的方法就可以得出风向角的参考值，然后配合方向标定器件就可以得出真正的方向，同时配合定位系统还可以准确获得舰船的经纬度。

本实用新型公开了一种舰载超声波测风仪，整个仪器包括两个部分：前端的超声波探头以及后端的控制电路。整个控制电路以及显示部分都安装在长方体的底座中，超声波探头分为两组，用来测量东西和南北方向上的两个风速和风向。此外，装置集成了多个外围模块，包括：数字指南针、GPS模块、陀螺仪、加速度传感器、数据存储模块以及通信接口。通过通信接口，可以使用不同的命令来完成人机交互的过程，

实现不同参数的设置，从而让仪器满足需求。测量的数据可以保存到数据存储模块中，通过GPS、数字指南针等外围模块可以对风向进行修正，达到较好的测量效果。

本实用新型所述的测风仪与后端的控制以及显示集成在一起，带有航向校正及定位功能；所述的测风仪共有4个超声波传感器，直立在装置的前端，每两个传感器组成一条直线，两条直线相互垂直，从而实现平面风速和风向的测量；

所述控制电路中包括：微控制器，用于控制超声波的发射并计算回波信号的到达时间，同时还包括各种控制信号的产生；电源电路，为整个装置提供稳定的供电电源；通信接口电路，用于固件程序的更新和数据的传输，其中数据输出部分采用的方式为数字信号输出；数据存储电路，用于保存的测量数据，为后续处理提供条件；方向以及方位测量电路，为系统提供准确的方向基准；显示电路，显示测量的结果从而方便工作人员进行查看；回波信号调理电路，用于将接收到的原始回波信号进行处理，以满足微控制器的输入要求。

附图说明

下面就结合附图和实施对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型的整体结构图，其中1、底座，2、测风装置，3～6、超声波探头。

图2是本实用新型的工作原理图。

图3是本实用新型的电路原理框图。

具体实施方式

下面就结合说明书附图和具体实施方式对其进行详细的说明：

(1)图1给出了本新型实例的整体结构示意图，本新型实例提供的舰载超声波测风仪包括底座1和测风系统。测风系统包括测风装置2以及底座1内的控制电路，测风装置2包括两对超声波收发一体式的超声波探头，探头3和探头4所在的直线与探头5和探头6所在的直线相互垂直，并且4个探头分布在同一个水平面内，3和4、5和6的间距都为20cm。

(2)本装置利用超声波的传播特性来测量风速风向，根据原理如图2所示的方式：超声波传感器的距离固定为L，空气的流速为V_O，超声波在无风状态下的传播速度为C_O，设超声波在顺风传播时的时间为T_AB，逆风时的传播时间为T_BA，那么就有如下关系：

T_{AB} = \frac{L}{C_{0} + V_{0}} - - - (1)

T_{BA} = \frac{L}{C_{0} - V_{0}} - - - (2)

由(1)(2)两式可得：

V_{0} = \frac{L}{2} \frac{T_{BA} - T_{AB}}{T_{BA} T_{AB}} - - - (3)

C_{0} = \frac{L}{2} \frac{T_{BA} + T_{AB}}{T_{BA} T_{AB}} - - - (4)

通过上面的计算可以知道，只要分别测出超声波在该方向上顺风和逆风的传播时的达到时间，就可以计算出该方向上的风速分量；同理可以获得另外一个方向上的风速，最终通过矢量合成就可以得到总的风速，然后通过两个分量就可以计算出风向。

当计算出风速风向以后，控制电路利用数字指南针进行运行方向的测量，同时根据加速度传感器以及陀螺仪的测量结果来感知舰船当前的运行状态，从而根据实际的运行方向和当前参量对风向进行校正，得出最终的风向。

(3)图3给出了整个电路原理框图。使用性价比较高的AVR单片机作为整个控制电路的核心，超声波的发射和接收以及通道的切换都通过AVR单片机来完成；计算结果保存在数据存储模块中，这里使用容量为2GB的SD卡作为存储设备；另外，AVR单片机的所有操作都由上位机通过命令字的方式来实现，命令集合和通信协议如表1和表2所示。

表1命令集合

命令字节	命令描述
		45H	开始测量
52H	停止测量
		65H	更新程序
46H	设定测量周期
		56H	上传数据

表2通信协议

22H

命令字节

数据高字节

数据低字节

66H

Claims

1.一种舰载超声波测风仪，其特征在于：所述测风仪包括底座(1)、测风系统；测风系统包括测风装置(2)以及底座(1)内的控制电路；所述测风装置与后端的控制电路以及显示装置集成在一起，带有航向校正及定位功能。

2.根据权利要求1所述的超声波测风仪，所述测风装置(2)包括两对超声波收发一体式的超声波探头组成测量子单元，直立在测风装置的前端；每组中的两个超声波探头相互垂直并且分布在同一个水平面内、间距为20cm。

3.根据权利要求书1或2所述的超声波测风仪，其特征是，所述控制电路安装在长方体的底座内，显示装置安装在底座表面，超声波探头安装在底座之外。

4.根据权利要求3所述的超声波测风仪，其特征是，所述测风仪集成了多个外围模块，所述外围模块选自：数字指南针、GPS模块、陀螺仪、加速度传感器、数据存储模块以及通信接口中的一个或多个。