CN204347060U - 一种三维超声波风速风向检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维超声波风速风向检测系统，包括有安装座、数个测量臂、与测量臂相应数量的超声波探头和控制及处理电路板，其中一个测量臂固定在安装座顶面的中心部位，其余测量臂围设在安装座顶面的周圈，超声波探头设在测量臂的顶端，控制及处理电路板设在安装座内，控制及处理电路板与超声波探头连接并控制超声波探头的工作。测量方法如下所述：第一步、控制及数据处理模块对各模块进行初始化；第二步、根据传递时间t1和t4采用间接时差法可得风速分量V1；第三步、得到三维的风速值和风向值；第四步、得到实时的三维风速和风向；有益效果：接收信号稳定；大大降低了仪器成本；测量精度高，实时性好。

Description

一种三维超声波风速风向检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种风速风向检测系统，特别涉及一种三维超声波风速风向检测系统。

背景技术

目前，与传统的机械式风速风向仪相比较，超声波测风系统的优势有:无启动风速限制，环境适应能力强，可适应全天侯天气，没有机械磨损、不易腐蚀，使用寿命长、精度高、智能化、高可靠性，安装简单、维护及校正简便等；其不仅可以满足军事领域的气象测风需求，而且在民用上也有很多的用途，例如在气候气象、城市环境监测、风力发电气象监测、桥梁隧道、汽车高速公路、航海船舶和航空机场等方面有相当好的应用前景，另外也可以作为一个小型的气象站，应用前景非常广泛。

现有的超声波测风系统，大多只能测量平面二维的风速风向，比较典型的有中国专利“超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法(申请号：200810101288.6)”所提出的四臂、二维超声波风速仪，和中国专利“反射式超声波风速风向仪及其测量方法(申请号：201110175615.4)”所提出的反射式超声波风速风向仪；中国专利“超声波三维测风方法和三维超声波风速风向仪(申请号：201110123546.2)”、中国专利“一种风电场三维超声波风速温度检测系统及其测量方法(申请号：201310081265.4)”和中国专利“一种风电场超声波风速检测方法及装置(申请号：201310081679.7)”采用了不同的结构或方法以获取三维风速风向，但普遍存在着结构复杂的问题，不利于成本的控制和产品的推广。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有的三维超声波测风系统结构复杂，不利于成本的控制和产品推广的问题而提供的一种三维超声波风速风向检测系统。

本实用新型提供的三维超声波风速风向检测系统包括有安装座、数个测量臂、与测量臂相应数量的超声波探头和控制及处理电路板，其中一个测量臂固定在安装座顶面的中心部位，其余测量臂围设在安装座顶面的周圈，超声波探头设在测量臂的顶端，控制及处理电路板设在安装座内，控制及处理电路板与超声波探头连接并控制超声波探头的工作。

测量臂设有四个，围设在安装座顶面周圈的测量臂设有三个，安装座顶面周圈的相邻测量臂之间的夹角为120°，安装座顶面周圈的三个测量臂顶端的超声波探头处于同一水平面。

控制及处理电路板为印刷电路板，用于控制和驱动各超声波探头的接收和发送，以及对接收信号进行处理，得到风速和风向信息，控制及处理电路板包括：与超声波探头对应数量的收发模块、模拟开关模块、放大滤波模块、信号截取模块、包络提取模块、滞回比较模块、控制及数据处理模块和通信接口，其中各收发模块与对应的超声波探头连接，用于驱动超声波探头发出超声波和接收空间中的超声波信号，并将该超声波收发信号转化为电信号，收发模块的控制信号由控制及数据处理模块给出，各收发模块的输出端分别与模拟开关模块的输入端连接，模拟开关模块的控制信号由控制及数据处理模块给出，模拟开关模块的输出端与放大滤波模块连接，通过控制及数据处理模块的控制，模拟开关模块将发射信号和需要的接收信号传递给放大滤波模块，阻止不需要的信号通过；放大滤波模块对模拟开关模块的输出信号进行放大和滤波，放大滤波模块的输出端与信号截取模块连接，信号截取模块截取放大滤波模块输出的 信号轴线以上的信号，并传递给包络提取模块，包络提取模块对信号截取模块的输出信号进行包络提取，并将其翻转到轴线下方，包络提取模块的输出端与滞回比较模块的输入端连接，滞回比较模块通过一个滞回比较器将包络提取模块的信号转化为两个脉冲，并传递给控制及数据处理模块，控制及数据处理模块控制系统的运行、对接收数据进行处理得到风速风向和通过串行通信接口与外部仪器仪表进行通信，其核心是一块微处理器；通信接口与控制及数据处理模块中微处理器的串行通信口连接，通信接口为RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。

本实用新型提供的三维超声波风速风向的测量方法，其具体方法如下所述：

第一步、系统上电后，控制及数据处理模块对各模块进行初始化，然后依次驱动安装座顶面周圈的超声波探头发出十个脉冲的超声波信号，此时通过模拟开关模块选通安装座顶面中心部位的超声波探头作为接收探头，该超声波探头将接收到的超声波信号转化为电信号，该电信号和发射信号经过模拟开关模块、放大滤波模块、信号截取模块、包络提取模块、滞回比较模块后进入控制及数据处理模块的捕获引脚，通过处理器的捕获功能分别测得滞回比较模块输出的两个脉冲下降沿之间的时间差得到超声波从安装座顶面周圈的超声波探头到安装座顶面中心部位的超声波探头的传递时间t1、t2、t3；然后三次驱动安装座顶面中心部位的超声波探头发出十个脉冲的超声波信号，分别选通安装座顶面周圈的超声波探头作为接收探头，得到超声波从安装座顶面周圈的超声波探头到安装座顶面中心部位的超声波探头的传递时间t4、t5、t6；

第二步、根据传递时间t1和t4采用间接时差法可得到风速沿安装座顶面周圈的第一个超声波探头与安装座顶面中心部位的超声波探头方向上的风速分量V1，间接时差法的原理如下：

设声速为C，风速分量V1指向安装座顶面周圈的第一个超声波探头，则超声波从安装座顶面中心部位的超声波探头传播到安装座顶面周圈的任一超声波探头为顺风，此时，超声波的传播速度为：

V_S24S21＝C+V1

设上述两个超声波探头间的距离为d，则超声波的传播时间为：

$t1=\frac{d}{V_{S24S21}}=\frac{d}{C+V1}$

超声波为逆风时，超声波的传播速度为：

V_S21S24＝C-V1

超声波的传播时间为：

$t4=\frac{d}{V_{S24S21}}=\frac{d}{C-V1}$

在第一步中已测得t1和t4,即可得到该测量面上的风速值：

$V1=\frac{d}{2}(\frac{1}{t4}-\frac{1}{t1})$

同样根据传递时间t2和t5采用间接时差法可得到风速沿安装座顶面周圈的第二个超声波探头与安装座顶面中心部位的超声波探头方向上的风速分量V2；根据传递时间t3和t6采用间接时差法可得到风速沿安装座顶面周圈的第三个超声波探头与安装座顶面中心部位的超声波探头方向上的风速分量V3；

第三步、对风速分量V1、V2、V3进行矢量合成就可得到三维的风速值和风向值；

第四步、将上述的第一步至第三步进行循环能够得到实时的三维风速和风向，控制及数据处理模块通过通信接口能够实时向外部仪器仪表输出风速和风向。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型结构简单，测量臂结构的一致性可以更好的得到保证，同时减小了仪器本身对风场的影响，不会形成涡流，接收信号稳定；

2)本实用新型实现了三维风速风向的测量，且测量原理简单，大大降低了仪器成本；

3)本实用新型处理电路原理简单，采用间接时差法测量超声波传播时间，减少了外界环境因素的影响，测量精度高，实时性好。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型的控制及处理电路板的电路模块功能框图。

图3为各超声波探头在直角坐标系中相对位置及信号传播示意图。

图4为风速分量V1、V2、V3平移至起始点在直角坐标系原点处的示意图。

1、安装座  2、测量臂  3、超声波探头  4、控制及处理电路板

10、收发模块  11、模拟开关模块  12、放大滤波模块

13、信号截取模块  14、包络提取模块  15、滞回比较模块

16、控制及数据处理模块  17、通信接口。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示：

本实用新型提供的三维超声波风速风向检测系统包括有安装座1、四个测量臂2、四个超声波探头3和控制及处理电路板4，其中一个测量臂2固定在安装座1顶面的中心部位，其余测量臂2围设在安装座1顶面的周圈，超声波探头3设在测量臂2的顶端，控制及处理电路板4设在安装座1内，控制及处理电路板4与超声波探头3连接并控制超声波探头3的工作。

安装座1顶面周圈的相邻测量臂2之间的夹角为120°，安装座1顶面周圈 的三个测量臂2顶端的超声波探头3处于同一水平面。

控制及处理电路板4为印刷电路板，用于控制和驱动各超声波探头3的接收和发送，以及对接收信号进行处理，得到风速和风向信息，控制及处理电路板4包括有四个收发模块10、模拟开关模块11、放大滤波模块12、信号截取模块13、包络提取模块14、滞回比较模块15、控制及数据处理模块16和通信接口17，其中各收发模块10与对应的超声波探头3连接，用于驱动超声波探头3发出超声波和接收空间中的超声波信号，并将该超声波收发信号转化为电信号，收发模块10的控制信号由控制及数据处理模块16给出，各收发模块10的输出端分别与模拟开关模块11的输入端连接，模拟开关模块11的控制信号由控制及数据处理模块16给出，模拟开关模块11的输出端与放大滤波模块12连接，通过控制及数据处理模块16的控制，模拟开关模块11将发射信号和需要的接收信号传递给放大滤波模块12，阻止不需要的信号通过；放大滤波模块12对模拟开关模块11的输出信号进行放大和滤波，放大滤波模块12的输出端与信号截取模块13连接，信号截取模块13截取放大滤波模块12输出的信号轴线以上的信号，并传递给包络提取模块14，包络提取模块14对信号截取模块13的输出信号进行包络提取，并将其翻转到轴线下方，包络提取模块14的输出端与滞回比较模块15的输入端连接，滞回比较模块15通过一个滞回比较器将包络提取模块14的信号转化为两个脉冲，并传递给控制及数据处理模块16，控制及数据处理模块16控制系统的运行、对接收数据进行处理得到风速风向和通过串行通信接口与外部仪器仪表进行通信，其核心是一块微处理器；通信接口17与控制及数据处理模块16中微处理器的串行通信口连接，通信接口17为RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。

本实用新型提供的三维超声波风速风向的测量方法，其具体方法如下所述：

第一步、系统上电后，控制及数据处理模块16对各模块进行初始化，然后依次驱动安装座1顶面周圈的超声波探头3发出十个脉冲的超声波信号，此时通过模拟开关模块11选通安装座1顶面中心部位的超声波探头3作为接收探头，该超声波探头3将接收到的超声波信号转化为电信号，该电信号和发射信号经过模拟开关模块11、放大滤波模块12、信号截取模块13、包络提取模块14、滞回比较模块15后进入控制及数据处理模块16的捕获引脚，通过处理器的捕获功能分别测得滞回比较模块15输出的两个脉冲下降沿之间的时间差得到超声波从安装座1顶面周圈的超声波探头3到安装座1顶面中心部位的超声波探头3的传递时间t1、t2、t3；然后三次驱动安装座顶1面中心部位的超声波探头3发出十个脉冲的超声波信号，分别选通安装座1顶面周圈的超声波探头3作为接收探头，得到超声波从安装座1顶面周圈的超声波探头3到安装座1顶面中心部位的超声波探头3的传递时间t4、t5、t6；

第二步、根据传递时间t1和t4采用间接时差法可得到风速沿安装座1顶面周圈的任一超声波探头3与安装座顶面中心部位的超声波探头3方向上的风速分量V1，间接时差法的原理如下：

设声速为C，风速分量V1指向安装座1顶面周圈的任一超声波探头3，则超声波从安装座1顶面中心部位的超声波探头3传播到安装座1顶面周圈的任一超声波探头3为顺风，此时，超声波的传播速度为：

V_S24S21＝C+V1

设上述两个超声波探头3间的距离为d，则超声波的传播时间为：

$t1=\frac{d}{V_{S24S21}}=\frac{d}{C+V1}$

超声波为逆风时，超声波的传播速度为：

V_S21S24＝C-V1

超声波的传播时间为：

$t4=\frac{d}{V_{S24S21}}=\frac{d}{C-V1}$

在第一步中已测得t1和t4,即可得到该测量面上的风速值：

$V1=\frac{d}{2}(\frac{1}{t4}-\frac{1}{t1})$

同样根据传递时间t2和t5采用间接时差法可得到风速分量V2；根据传递时间t3和t6采用间接时差法可得到风速分量V3；

第三步、对风速分量V1、V2、V3进行矢量合成就可得到三维的风速值和风向值；

第四步、将上述的第一步至第三步进行循环能够得到实时的三维风速和风向，控制及数据处理模块16通过通信接口17能够实时向外部仪器仪表输出风速和风向。

Claims (3)

1.一种三维超声波风速风向检测系统，其特征在于：包括有安装座、数个测量臂、与测量臂相应数量的超声波探头和控制及处理电路板，其中一个测量臂固定在安装座顶面的中心部位，其余测量臂围设在安装座顶面的周圈，超声波探头设在测量臂的顶端，控制及处理电路板设在安装座内，控制及处理电路板与超声波探头连接并控制超声波探头的工作。

2.根据权利要求1所述的一种三维超声波风速风向检测系统，其特征在于：所述的测量臂设有四个，围设在安装座顶面周圈的测量臂设有三个，安装座顶面周圈的相邻测量臂之间的夹角为120°，安装座顶面周圈的三个测量臂顶端的超声波探头处于同一水平面。

3.根据权利要求1所述的一种三维超声波风速风向检测系统，其特征在于：所述的控制及处理电路板为印刷电路板，用于控制和驱动各超声波探头的接收和发送，以及对接收信号进行处理，得到风速和风向信息，控制及处理电路板包括：与超声波探头对应数量的收发模块、模拟开关模块、放大滤波模块、信号截取模块、包络提取模块、滞回比较模块、控制及数据处理模块和通信接口，其中各收发模块与对应的超声波探头连接，用于驱动超声波探头发出超声波和接收空间中的超声波信号，并将该超声波收发信号转化为电信号，收发模块的控制信号由控制及数据处理模块给出，各收发模块的输出端分别与模拟开关模块的输入端连接，模拟开关模块的控制信号由控制及数据处理模块给出，模拟开关模块的输出端与放大滤波模块连接，通过控制及数据处理模块的控制，模拟开关模块将发射信号和需要的接收信号传递给放大滤波模块，阻止不需要的信号通过；放大滤波模块对模拟开关模块的输出信号进行放大和滤波，放大滤波模块的输出端与信号截取模块连接，信号截取模块截取放大滤波模块输出的信号轴线以上的信号，并传递给包络提取模块，包络提取模块对信号截取模块 的输出信号进行包络提取，并将其翻转到轴线下方，包络提取模块的输出端与滞回比较模块的输入端连接，滞回比较模块通过一个滞回比较器将包络提取模块的信号转化为两个脉冲，并传递给控制及数据处理模块，控制及数据处理模块控制系统的运行、对接收数据进行处理得到风速风向和通过串行通信接口与外部仪器仪表进行通信，其核心是一块微处理器；通信接口与控制及数据处理模块中微处理器的串行通信口连接，通信接口为RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。