CN206193270U - 一种一维超声波无线风速风向仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种一维超声波无线风速风向仪，包括超声波风速测量模块、风向标风向测量模块，风向标风向测量模块包括为电子罗盘式风向传感器；超声波风速测量模块包括超声波驱动电路和超声波收发电路，超声波收发电路连接探头A和探头B，探头A和探头B设置于风向杆上相对于尾翼的另一端，且分别与风向杆形成一个夹角，探头A和探头B中间设置反射板；探头A和探头B分别连接时间测量芯片；主控芯片接收时间测量芯片输出的时间值并进行处理。本实用新型简化电路、降低成本、减小测量误差、布线简单且测量数据能够长距离传输，提高了风速风向测量精度和分辨率，提高测量设备的抗干扰能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及气象测量仪器领域，特别涉及一种一维超声波无线风速风向仪，可广泛应用于气象、海洋、环境、农业、林业、水利、电力、科研等领域，为其提供所需的风速风向数据。
背景技术
风速的精确测量在气象、航空、航海、风力发电等领域都有着重要的价值。风速风向仪的种类繁多，测量原理也不尽相同。较为传统的杯状风速仪和翼状风速仪，在测量较大风速时比较适用，安装和使用也比较方便。但是传统机械式风速仪有转动部件，会产生机械摩擦对仪器造成损坏。随着技术的发展产生利用超声波装置测量风速风向的二维，三维超声波测风仪，该设计无机械装置，耐用度高。目前，超声波式风速仪结构上多采用将两对或者三对收发一体的超声波换能器构成测量阵列，当风沿换能器构成的正交方向上传播时，会引起湍流导致错误测量。采用有线方式进行数据传输的风速仪，其布线复杂、抗干扰性差及维护困难。同时现有的超声波风速仪电路结构较复杂、功耗较大且制造成本高。
实用新型内容
本实用新型提供了一种一维超声波无线风速风向仪，能够简化电路、降低成本、减小测量误差、布线简单且测量数据能够长距离传输，提高了风速风向测量精度和分辨率，便于携带和安装，提高测量设备的抗干扰能力，解决了现有技术中存在的问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种一维超声波无线风速风向仪，包括超声波风速测量模块、风向标风向测量模块，
所述风向标风向测量模块包括为电子罗盘式风向传感器，电子罗盘式风向传感器包括底座、定北帽、转动轴、转动轴上设置水平的风向杆，风向杆一端为箭头状，此端为尾翼；
所述超声波风速测量模块包括超声波驱动电路和超声波收发电路，超声波收发电路连接探头A和探头B，探头A和探头B具有收发超声波的功能，探头A和探头B设置于风向杆上相对于尾翼的另一端，且分别与风向杆形成一个夹角，探头A和探头B中间设置反射板，探头A发射的超声波被反射板发射后可被探头B接收；探头A和探头B分别连接时间测量芯片，时间测量芯片测量超声波在探头A与探头B之间传播的时间；
所述电子罗盘式风向传感器的信号输出端连接主控芯片，时间测量芯片连接主控芯片，主控芯片接收时间测量芯片输出的时间值并进行处理。
进一步的，还包括无线传输模块，所述无线传输模块包括GPRS通信模块和上位机监控中心，主控芯片将风向风速信息通过GPRS通信模块发送到上位机监控中心。
进一步的，所述主控芯片为STM32芯片。
进一步的，所述反射板设置于转轴上、探头A和探头B中间上方，与风向杆平行，且与风向杆一同转动。
本实用新型的有益效果是：
1、采用一对超声波发射接收探头测风速，简化电路设计同时降低功耗、降低了制造成本。
2、超声波反射式传播，避免了由于探头对迎风成直线排列对风产生的阻挡作用造成的误差。采用一对探头避免了由于多对探头造成的交叉干扰和湍流现象，减小测量误差，提高了风速风向测量精度和分辨率。
3、测量数据通过GPRS通信模块传输到上位机监控中心，监控中心的功能是实现GPRS信息的接收和保存，能够简化电路布线且测量数据能够长距离传输。
4、集超声波测风优点与风向标测方向长处于一体的一维超声波风速风向仪体积更加小巧，便于携带和安装。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述：
图1是本实用新型所述的一维超声波无线风速风向测量装置的结构组成框图；
图2为本发明提供的一维超声波时差法测量风速原理图，利用一对超声波收发探头A和B测量风速；
图3为本发明提供的电子罗盘风向传感器测风向示意图；
图4为本发明提供的测量控制电路原理框图；
图5为超声波驱动电路；
图6为超声波接收电路，带通滤波放大电路；
图7为时间测量芯片TDC-GP21外围接口电路；
图8为本发明提供的一维超声波无线风速风向仪装置；
图中：11、探头A；、12、探头B；2、反射板；3、尾翼；4、转轴；5、底座；6、定北帽。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述：
一种一维超声波无线风速风向仪，包括超声波风速测量模块、风向标风向测量模块，
所述风向标风向测量模块包括为电子罗盘式风向传感器，电子罗盘式风向传感器包括底座、定北帽、转动轴、转动轴上设置水平的风向杆，风向杆一端为箭头状，此端为尾翼；
所述超声波风速测量模块包括超声波驱动电路和超声波收发电路，超声波收发电路连接探头A和探头B，探头A和探头B具有收发超声波的功能，探头A和探头B设置于风向杆上相对于尾翼的另一端，且分别与风向杆形成一个夹角，探头A和探头B中间设置反射板，探头A发射的超声波被反射板发射后可被探头B接收；探头A和探头B分别连接时间测量芯片，时间测量芯片测量超声波在探头A与探头B之间传播的时间；
所述电子罗盘式风向传感器的信号输出端连接主控芯片，时间测量芯片连接主控芯片，主控芯片接收时间测量芯片输出的时间值并进行处理。
进一步的，还包括无线传输模块，所述无线传输模块包括GPRS通信模块和上位机监控中心，主控芯片将风向风速信息通过GPRS通信模块发送到上位机监控中心。
进一步的，所述主控芯片为STM32芯片。
进一步的，所述反射板设置于转轴上、探头A和探头B中间上方，与风向杆平行，且与风向杆一同转动。
图2是一维超声波时差法测量风速原理图。与其他方法相比，时差法测量原理简单，测量精度高，性能稳定，受外界环境因素影响小且电路易实现。探头A(11)和探头B(12)斜向上指向反射板(2)，一个探头发射声波经由反射板反射后由另一个探头接受，传播距离为d。超声波在空气中传播时，由于受顺向和逆向影响，存在一定的时间差，通过获得该时间差就可以确定所测风的风速值。设空气中的声速为v，风速为vwind，超声波在顺风和逆风情况下的传播的时间分别为t1和t2:
由以上公式可得:
只需测得超声波在距离d上顺风和逆风所传播的时间，就可以获得所测风的风速值。同时时差法测风可以消除温度等环境因素引起的声速变化而导致的测量错误。
图3给出的是电子罗盘式风向传感器测风向示意图。图中箭头指向即风向标尾翼的方向。N是定北帽，是电子罗盘方向传感器的初始化位置，在安装仪器是需要将定北帽最准北方。当风的来向与风向标成某一交角时，风对风向标产生压力，由于风向标头部受风面积比较小，尾翼受风面积比较大，因而感受的风压不相等，垂直于尾翼的风压产生风压力矩，使风向标绕垂直轴旋转，风向标头部正好对风的来向，尾翼所在的方向即是风向，尾翼所在的位置相对初始化位置旋转∠θ，由电子罗盘方向传感器计算出方向。输出的数据即为当前风向。
图4是测量控制电路原理框图。两个具有超声波收发功能的超声波探头A和B，在风向杆上成直线排列与尾翼成180度，且探头A和B分别与风向杆成一定夹角，一个探头发射声波经由反射板反射后由另一个探头接受，如图5。由于风向标头部始终对着风的来向，探头A发出的超声波被探头B接收为顺风t1，探头B发出的超声波被探头A接收为逆风t2，d为探头A发出的超声波经由反射板反射被探头B接收的这段距离，主控芯片计算公式:从而得到风速。风向标迎风转动，电子罗盘式风向传感器将采集到的信号传输到主控芯片进行处理输出风向值。当测得的风速值大于风向标的启动值时，所测得的风向为有效风向。如果测得风速值为0，即使风向标不在初始化位置输出风向值也为0。测得的风速风向值可以即时储存在SD卡以防数据丢失，同时通过GPRS通信模块将风速风向值传送到上位机监控中心。通过GPRS，中心监控部分可以直接访问互联网，所以监控部分并不需要再设置GPRS模块。中心只需通过中心软件帧听网络，接收GPRS无线模块传来的UDP协议的IP包和发送上位机控制信息，以实现与GPRS终端的IP协议通信。接收到的信息要保存到中心的数据库中,以备查历史记录。
图5为超声波驱动电路图。Q1为IRL3410绝缘栅型MOSFET，在此电路中起到开关的作用，T1为升压变压器，原副边匝数比为1：5。电阻R2和电容C1组成储能电路。TDC-GP21的FIRE—UP或FIRE-DOWN端口产生的脉冲序列通过SIGNAL输入，当输入为脉冲的高电平时，Q1导通，变压器副边不工作，当输入脉冲为低电平时，Q1不工作，变压器副边导通，原边存储的能量释放到副边。这就实现了原边低幅值的方波脉冲升高到副边高幅值同频率的方波脉冲，副边的输出引脚TRANS1与换能器相连接，实现对超声波换能器的驱动，使换能器发出超声波。
图6为超声波接收电路，带通滤波放大电路：超声波接收换能器接收到超声波信号时，此超声波信号一般为几毫伏或者十几毫伏，中心频率为200kHz的正弦振荡信号，并且其中包含很多杂波，而TDC-GP21的识别信号要求在100mV以上，所以要先经过带通滤波，然后放大处理。
图7为时间测量芯片TDC-GP21外围接口电路；STM32微处理器向TDC-GP21芯片发出ST信号启动计时芯片计时，在其FIRE-UP或FIRE_DOWN引脚产生频率为200KHz的方波脉冲序列，同时控制发射换能器发射超声波，此时时间为t1。当接收端换能器接收到超声波信号后，先通过带通滤波放大电路处理，处理后的信号触发TDC-GP21的STOP1或STOP2引脚，时间为t2。由GP21计算超声波传播时间。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种一维超声波无线风速风向仪，包括超声波风速测量模块、风向标风向测量模块，
所述风向标风向测量模块包括为电子罗盘式风向传感器，电子罗盘式风向传感器包括底座、定北帽、转动轴、转动轴上设置水平的风向杆，风向杆一端为箭头状，此端为尾翼；
所述超声波风速测量模块包括超声波驱动电路和超声波收发电路，超声波收发电路连接探头A和探头B，探头A和探头B具有收发超声波的功能，探头A和探头B设置于风向杆上相对于尾翼的另一端，且分别与风向杆形成一个夹角，探头A和探头B中间设置反射板，探头A发射的超声波被反射板发射后可被探头B接收；探头A和探头B分别连接时间测量芯片，时间测量芯片测量超声波在探头A与探头B之间传播的时间；
所述电子罗盘式风向传感器的信号输出端连接主控芯片，时间测量芯片连接主控芯片，主控芯片接收时间测量芯片输出的时间值并进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种一维超声波无线风速风向仪，其特征在于，还包括无线传输模块，所述无线传输模块包括GPRS通信模块和上位机监控中心，主控芯片将风向风速信息通过GPRS通信模块发送到上位机监控中心。
3.根据权利要求1所述的一种一维超声波无线风速风向仪，其特征在于，所述主控芯片为STM32芯片。
4.根据权利要求1所述的一种一维超声波无线风速风向仪，其特征在于，所述反射板设置于转轴上、探头A和探头B中间上方，与风向杆平行，且与风向杆一同转动。
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