CN220040486U - 一种极低温环境下用超声波测风装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种极低温环境下用超声波测风装置，包括超声波传感器、温度采集单元、加热电路、MCU、TDC‑GP22芯片、通道选择电路、驱动电路和接收调理电路；TDC‑GP22芯片与MCU串口通信；通道选择电路受控于MCU，各通道的输入端均与TDC‑GP22芯片的脉冲发射端连接；四路驱动电路的输入端分别连接各通道的输出端，输出端输出用于驱动超声波探头发射超声波，使对向探头输出回波信号并通过接收调理电路返回TDC‑GP22芯片，触发停止计时信号；温度采集单元用于采集超声波传感器的温度；加热单元用于对超声波传感器进行加热，MCU分别与温度采集单元和加热电路连接。本实用新型实现极低温环境下测风需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及风速风向测量技术领域，具体涉及一种极低温环境下用超声波测风装置。
背景技术
目前，在测量风速风向时所采用的测风传感器主要包括机械式测风传感器、热敏式测风传感器、超声波测风传感器、皮托管式测风传感器、硅压阻式测风传感器。
目前大部分测风传感器系统都是在-40℃以上的温度进行工作，但是随着气象观测精细化要求的不断提高，极端地区极低温度（-55℃以上）下准确测风也成为予以解决的问题。
机械式测风传感器时通过风力带动叶轮转动，将叶轮转动的角速度或叶轮的转数转化为电信号，根据该电信号测算出风速，由于机械式测风仪不能密封，因此对测量环境存在很高的要求，例如在沙尘环境中叶轮无法正常工作，在低温环境中叶轮容易冻住，导致其应用范围受限；皮托管式测风传感器无法进行风向测量，热敏式和硅压阻式测风传感器容易受到温漂影响，导致测量不准确。超声波测风传感器理论上没有测量上限，测量范围更广，测量精度高，反应速度快，没有活动部件，安装简单等，因此，经过上述测风传感器的优缺点比较，选择超声波测风传感器，并针对极低环境下超声波测风传感器系统进行设计，以满足极低温环境下使用。
本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。
实用新型内容
为实现极低温环境下测风需求，本申请提供一种极低温环境下用超声波测风装置，通过设计测风装置的测控电路，且该测风装置具有保温壳体，实现极低温环境下准确测风。
为实现上述实用新型的目的，本实用新型采用下述技术方案予以实现：
一种极低温环境下用超声波测风装置，包括超声波传感器，所述超声波传感器具有基于四个方向设置的四个超声波探头，所述超声波测风装置还包括保温壳体、温度采集单元和加热电路，所述保温壳体内设MCU、TDC-GP22芯片、通道选择电路、驱动电路和接收调理电路；
TDC-GP22芯片与所述MCU串口通信；
所述通道选择电路具有四通道且受控于MCU，各通道的输入端均与所述TDC-GP22芯片的脉冲发射端连接；
四路驱动电路的输入端分别连接各通道的输出端，所述输出端输出用于驱动超声波探头发射超声波的脉冲，使对向超声波探头输出回波信号并通过所述接收调理电路返回至TDC-GP22芯片，触发停止计时信号，所述MCU基于TDC-GP22芯片输出的顺流传播时间和逆流传播时间计算风速，所述驱动电路、接收调理电路和通道选择电路的工作温度均在-55℃以上；
所述温度采集单元用于采集所述超声波传感器的温度；
所述加热电路用于对所述超声波传感器的温度低于预设温度时进行加热，MCU分别与所述温度采集单元和加热电路连接，用于对所述超声波传感器进行控温。
在本申请的一些实施例中，所述TDC-GP22芯片的脉冲发射端输出方波脉冲。
在本申请的一些实施例中，所述通道选择电路基于MC14066B芯片设计；和/或
所述驱动电路包括开关控制元件、高频变压器、储能电路和滤波电路，所述开关控制元件受控于TDC-GP22芯片发射的方波脉冲控制开关，电源通过所述储能电路连接所述高频变压器的初级侧一端，初级侧另一端连接所述开关控制元件的输出端，次级侧连接所述滤波电路，所述滤波电路的输出端作为驱动电路的输出端，其中所述开关控制元件选择工作温度在-55℃以上的MOS管。
在本申请的一些实施例中，所述接收调理电路包括：
一级放大电路，其用于放大所述回波信号；
滤波电路，其用于对所放大后的回波信号进行滤波；
二级放大电路，其用于对滤波后的回波信号再放大。
在本申请的一些实施例中，所述一级放大电路为同相比例放大电路；
所述滤波电路为压控电源型二阶有源带通滤波；
所述二级放大电路为反相比例放大电路。
在本申请的一些实施例中，所述温度采集单元贴设在所述超声波传感器上，用于采集所述超声波传感器的温度；
MCU接收所述超声波传感器的温度并采用模糊PID控制器，控制所述加热电路加热或停止加热。
在本申请的一些实施例中，所述超声波测风装置还包括：
电源单元，其置于所述保温壳体内，用于对所述超声波测风装置中用电部件供电。
在本申请的一些实施例中，所述电源单元包括：
电源，其输出供电直流电24V；
多个电源转换芯片，其工作温度均在-40℃以上，且包括第一电源转换芯片、第二电源转换芯片和第三电源转换芯片，所述第一电源转换芯片用于将所述直流电24V转换为直流电±15V，所述第二电源转换芯片用于将直流电+15V转换为直流电+5V，所述第三电源转换芯片用于将直流电+15V转换为直流电+3.3V。
在本申请的一些实施例中，所述超声波测风装置还包括：
上位机，其与MCU通讯连接。
在本申请的一些实施例中，所述驱动电路接收所述脉冲发射端输出方波脉冲，且输出正弦波，用于激励超声波传感器。
在本申请的一些实施例中，在所述超声波传感器表面使用防覆冰涂料。
本申请涉及的极低温环境下用超声波测风装置，具有如下优点和有益效果：
在极低温环境下，通过保温壳体的防护、对超声波传感器进行控温、TDC-GP22芯片的工作温度为-40℃到+125℃之间、以及驱动电路、接收调理电路和通道选择电路的工作温度均在-55℃以上，如此，能够满足超声波测风装置在极低温环境下正常工作的需求，TDC-GP22芯片特有的时间数字转换单元使得用户无需进行A/D转换来获取数据，便可以获取超声波飞行时间，且其内部自带脉冲发生器，便于产生方波脉冲，如此，可简化电路设计，方便电路搭建。
结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例的系统框图；
图2为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例中驱动电路的电路图；
图3为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例中驱动电路的仿真图；
图4为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例中接收调理电路中一级放大电路的电路图；
图5为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例中接收调理电路中一级放大电路的仿真图；
图6为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例中接收调理电路中滤波电路的电路图；
图7为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例中接收调理电路中滤波电路的仿真图；
图8为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例中接收调理电路中二级放大电路的仿真图；
图9为本实用新型提出的极低温环境下用超声波测风装置实施例中加热电路的电路图。
附图标记：
10-MCU；20-TDC-GP22芯片；30-通道选择电路；40-驱动电路；50-接收调理电路；60-保温壳体；70-超声波传感器；80-加热电路；90-温度采集单元。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
为了实现超声波传感器在极低温环境下的测量需求，本申请涉及一种极低温环境下用超声波测风装置，从保温壳体和测控电路两个方面确保超声波传感器在极低温环境下正常工作的需求。
该超声波测风装置基于时差法测量风速和风向，时差法是常用的方法，其具有不易受到外界环境因素干扰且相对稳定易实现的优点。
在利用时差法时，只需要测得顺风传播时间和逆风传播时间即可测得风速和风向，顺风传播时间和逆风传播时间则可基于超声波在空气中的飞行时间获取到。
参见图1，其示出超声波测风装置的系统框图。
该超声波测风装置包括超声波传感器70、保温壳体60、MCU 10、TDC-GP22芯片20、通道选择电路30、驱动电路40、接收调理电路50、温度采集单元90和加热电路80。
测控电路方面包括超声波传感器70、MCU 10、TDC-GP22芯片20、通道选择电路30、驱动电路40、接收调理电路50、温度采集单元90和加热电路80。
超声波传感器70置于保温壳体60上，且MCU 10、TDC-GP22芯片20、通道选择电路30、驱动电路40和接收调理电路50均内设在保温壳体60内，用于对元器件进行保温防护。
超声波传感器70是一种能够将交变信号和声信号相互转换的一种换能器元件，在整个测风装置设计中超声波传感器70的性能至关重要。
在本申请中，超声波传感器70选择现有的压电式超声波换能器US200-12T，其具有基于四个方向（即，东南西北）设置的四个超声波探头，中心频率为200.0+8.0KHz，工作温度范围为-40℃到+80℃，并且超声波探头内含有加热电阻（未示出），通过MCU 10对超声波传感器70进行控温，当超声波传感器70的温度低于设定温度时，控制对加热电阻加热，实现对超声波传感器70的加热，满足极低温环境下工作需求。
且为了提高抵御风雪冰冻能力，在超声波传感器70表面使用防覆冰涂料。
防覆冰涂料主要组成为具有高疏水性的基料和特定吸光传热性能的颜料。确保超声波传感器极低温环境下使用。
该保温壳体60可以包括主机外壳（未示出）以及包裹于主机外壳外侧的保温棉及保温材料，确保主机电路可以在极低温环境下正常工作。
在测控电路方面，为了确保在极低温环境下正常工作，所需要选择的元件应明确其工作温度范围，尽量选择温漂小的元器件，减小测量误差，保证后期数据处理能够更加准确。
MCU 10可以选择STM32F103系列单片机，其作为整个超声波测风装置的控制核心，其与TDC-GP22芯片20通讯（例如SPI（串行外设接口，Serial Peripheral Interface）串口通信）连接。
TDC-GP22芯片20具有集成度高、精度高、尺寸小、功能强大、连接简单、使用方便等优点，其内部主要由脉冲发生器、TDC时间数字转换单元、温度测量单元、时钟控制单元、SPI串口通信等组成。
并且TDC-GP22芯片具有第一波检测功能，可以对offest值进行自定义来检测第一个回波脉冲，提高精确度。
TDC-GP22芯片工作温度为-40℃到+125℃之间，加之保温壳体60的防护，能够满足其在极端低温的环境下正常工作的需求。特有的时间数字转换单元使得用户不需要进行A/D转换来获取数据，便可以获取超声波飞行时间。
将TDC-GP22芯片和MCU 10连接，控制其内部的脉冲发生器可以产生200HKz的方波脉冲；且该TDC-GP22芯片的测温引脚可连接热敏电阻进行测温，能够大大简化电路设计。
TDC-GP22芯片通过四线制SPI引脚与MCU 10相连接进行通信，超声波测风装置只需要使用TDC-GP22芯片的一个脉冲发射引脚FIRE_UP即可。
MCU 10控制TDC-GP22芯片的START引脚开启start通道，脉冲发射引脚FIRE_UP发射200KHz占空比50%的方波脉冲，经过MCU 10控制的通道选择电路30后输入到驱动电路40中，在由驱动电路40驱动超声波探头发射超声波，作为接收端的超声波探头接收到来自对向超声波探头的声波将其转化为微弱电信号后输入到接收调理电路50中，最终经过调理后的回波信号输入到TDC-GP22芯片的STOP2引脚触发计时停止信号。
由于超声波传感器70拥有四个同样功能的超声波探头，但是TDC-GP22芯片脉冲输出口个数不足以满足需求，因此需要设计一个通道选择电路30。
在本申请中，选择具有四个通道的通道选择电路30，其具有四个控制口、四个输入口和对应的输出口，控制口、输入口和输出口一一对应。
该四个控制口分别受控于MCU 10，通过MCU 10控制通道选择电路30的四路输入输出的通断，在MCU控制一个控制口使一个输入口和一个输出口连通时，则对应通道是连通的，在MCU控制该控制口使该输入口和该输出口断开连通时，则对应通道是不连通的。
在本申请中，通道选择电路30的四个输入口分别连接TDC-GP22芯片的脉冲发射端，四个输出口分别连接四路驱动电路40，在通道连通时，脉冲发射端输出的方波脉冲才可以通过该通道输出至对应驱动电路40。
在本申请中，选择MC14066B芯片设计通道选择电路30，其工作温度范围为-55℃到+125℃，满足超声波传感器70工作在极低温环境下的设计需求。
且该MC14066B芯片的输出电压与直流电源电压VDD相关，输出电压范围为-0.5V到VDD+0.5V，因此为了保证从TDC-GP22芯片的脉冲发射引脚FIRE_UP输出的3.3V方波脉冲顺利通过，MC14066B芯片采用+5V的直流电源。
超声波传感器70可以使用正弦波、方波、尖脉冲信号等进行激励，但是使用方波、尖脉冲信号激励时会产生高频分量，对采集到的信号需要进行更多的处理，否则会影响测量精度，因此，在本申请中，选择正弦波来激励超声波传感器70，即，驱动电路40能够接收TDC-GP22芯片20输出的方波脉冲，并转换为正弦波来激励超声波传感器70。
驱动电路40包括开关控制元件、高频变压器T1、储能电路和滤波电路。
开关控制元件受控于TDC-GP22芯片发射的方波脉冲控制开/关，电源（例如+15V直流电）通过储能电路连接高频变压器T1的初级侧一端，初级侧另一端连接开关控制元件的输出端，次级侧连接滤波电路，滤波电路的输出端作为驱动电路40的输出端。
考虑到极低温环境，参见图2，开关控制元件选择为N沟道MOS管Q1，型号为LU3410，工作温度为-55℃到+175℃，阈值电压为3V，从脉冲发射引脚FIRE_UP输出的方波脉冲刚好可以通过MOS管Q1。
储能电路包括并联的电容C2和电阻R3。
滤波电路包括并联的电感L1和电阻R2。
在开关控制元件输入为低电平时，MOS管Q1关断，此时，电源+15V对电容C2进行充电，在输入为高电平时，MOS管Q1导通，此时，电源+15V对高频变压器T1供电。
如此，输出正弦波，用于激励超声波传感器70，以发射超声波。
驱动电路40仿真图参见图3，对驱动电路40输入16个3.3V方波脉冲来模拟其输出。
参见图3，经过驱动电路40处理后产生300VPP（Voltage Peak-Peak，峰峰值电压）的类正弦交流电压，满足驱动超声波探头的要求。
作为接收端的超声波探头在接收到对向超声波探头发射的超声波后，输出回波信号。
由于超声波探头接收信号受环境和自身影响，接收到的交变电压幅值只有几十毫伏并带有很有噪声，因此，需要对超声波探头接收到的回波信号进行调理，之后再输入至TDC-GP22芯片的STOP2引脚触发计时停止信号，以提高信号检测的准确性。
在本申请中，接收调理电路50包括一级放大电路、滤波电路和二级放大电路。
一级放大电路用于放大回波信号；滤波电路用于对所放大后的回波信号进行滤波；二级放大电路用于对滤波后的回波信号再放大。
放大电路的核心芯片是运算放大器，对于此设计选择运算放大器时主要考虑芯片的压摆率、工作温度、增益带宽积三个参数。
压摆率是输出电压的转换速率，对于电压幅值变化很大的高频信号，需要芯片有很大的压摆率，压摆率计算公式如下：SR=2πfVp。
式中，SR为压摆率，f为信号频率，Vp为电压幅值。当放大的电压不超过3V，压摆率不大于4V/μs，因此选择运算放大器芯片时压摆率应该大于4V/μs。
增益带宽积是带宽和带宽增益的乘积。
选择芯片的增益带宽积至少应为电路所需的最低增益带宽积的两倍，增益带宽积计算公式如下：GWB=G×f。
式中，GWB为增益带宽积，G为电路放大倍数，f为信号频率。当电路放大倍数超过10倍时容易引起电路失调，计算增益带宽积不大于2MHz，因此，选择的运算放大器增益带宽积应该大于4MHz。
通过上述计算，选择型号为CA3140E的运算放大器，其具有高精度、高输入阻抗、低噪声低等优点，压摆率为9V/μs，增益带宽积为4.5MHz，并且可以在工作温度-55℃到+125℃的极端环境下，符合本申请中电路设计需求。
采用CA3140E的运算放大器设计同相比例放大电路。
参见图4，在运算放大器的正相输入端和作为接收端的超声波探头的输出端之间连接保护电路。
该保护电路包括并联连接的正向二极管D1、反向二极管D2、电阻R4和电容C3，目的在于为了防止大功率串扰影响后续电路。
同相比例放大电路的优点在于输入阻抗接近无穷大，但是抗干扰能力差，因此，适合作为一级放大电路。
通过设计运算放大器的合适放大倍数，以对回波信号进行一级放大。
在本申请中，一级放大电路的放大倍数设计为5。
参见图5，其示出一级放大电路的仿真图。
输入为振幅20mv的高斯正弦脉冲，通过仿真，可以观察到电压幅值被放大了接近5倍，满足设计要求。
滤波电路选择压控电源型（VCVS, Voltage Controlled Voltage Source）二阶有源带通滤波电路。
VCVS二阶有源带通滤波电路实际上可以看作低通网络、高通网络和同相比例放大电路三者串联组成。
参见图6，R1、C3组成低通网络，R2、C4组成高通网络，其中，R1=R2=R，R5=2R，C3=C4=C。
BW为带宽宽度，Q为品质因数，f0为中心频率。AVF为同相比例放大电路的电压增益。A0为带通滤波的带通电压增益。
BW=ω0/(2πQ)，Q=1/(3-AVF)，ω0=1/(RC)，A(jω0)=A0=AVF/(3-AVF)。
中心频率f0为超声波探头发射频率200KHz；带宽宽度BW设置为40KHz；品质因数Q为5；中心频增益为14dB。
品质因数和带宽成负相关，品质因数Q值越大，通带放大倍数就越大，通频带就越窄，但是电路稳定性差。
最终经过计算确定各元件的数值。经过对比仿真结果修改R5数值为120KΩ更加符合设计要求。
参见图7，其示出滤波电路的仿真图。
通过仿真，从图7中可以看出滤波电路的中心频率为200.923KHz，接近200KHz，并且中心频率处的增益为13.634dB，接近14dB，放大倍数约为5倍，满足设计要求。
二级放大电路采用反相比例放大电路，反相比例放大电路拥有很好的共模抑制比，更加适合做二级放大电路。
在二级放大电路中运算放大器也选用CA3140E，将通过设计运算放大器的合适放大倍数，以对回波信号进行二级放大。
在本申请中，二级放大电路的放大倍数设计为5。
参见图8，其示出二级放大电路的仿真图。
通过仿真，输入为振幅20mv的高斯正弦脉冲，可以观察到电压相反且幅值被放大了接近5倍，满足设计要求。
为了提供稳定电源，参见图1，该超声波测风装置还包括电源单元，其用于为超声波测风装置中用电部件提供电能。
电源单元包括电源和多个电源转换芯片，电源提供直流电+24V。
选择电源转换芯片时应明确其工作温度，电源转换芯片包括第一电源转换芯片、第二电源转换芯片和第三电源转换芯片，该三款电源转换芯片均选择为降压芯片，且工作温度均在-40℃以上，加上电源单元位于保温壳体60内，因此，能够满足其在极低温环境下正常工作。
第一电源转换芯片用于将直流电24V转换为直流电±15V，根据其工作温度，可以选择为VRA2415YMD-6WR3芯片。
第二电源转换芯片用于将直流电+15V转换为直流电+5V，根据其工作温度，可以选择为PW6206芯片。
第三电源转换芯片用于将直流电+15V转换为直流电+3.3V，根据其工作温度，可以选择为PW6566芯片。
超声波传感器70供+24V直流电，±15V直流电供给接收调理电路50中的各运算放大器、驱动电路40以及加热电路80（如下将描述），+5V直流电供给通道选择电路30，+3.3V直流电供给单片机和TDC-GP22芯片，确保各元件供电稳定。
该测风装置中驱动电路30所使用的芯片可以在-55℃以上工作，并且测风装置中的电源单元所使用的电源转换芯片的工作温度均在-40℃以上，尽可能保证在低温环境中保证电源的稳定输出，保证电路的正常运行。
由于超声波传感器70在环境温度小范围变化时，最佳发射频率变化并不明显，在保证超声波传感器70不结冰的基础上，尽量将超声波传感器70的工作温度维持在15℃左右。因此，在选择用于检测超声波传感器70的温度变化的温度传感器时，精度要求并不是太高。
为了对超声波传感器70进行控温，参见图1，该超声波测风装置还设计有分别与MCU 10连接的温度采集单元90和加热电路80。
温度采集单元80贴设在超声波传感器70上（例如某个超声波探头上），用于采集超声波传感器70的温度。
加热电路80用于对超声波传感器70温度低于预设温度（例如15℃）时进行加热。
MCU 10分别与温度采集单元80和加热电路80连接，MCU 10接收温度采集单元80所采集的超声波传感器70的温度并采用模糊PID控制器，控制加热电路80加热或停止加热。
在本申请中，选择DS18B20作为温度采集单元90，DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点；并且DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样。
选择贴片封装类型的DS18B20贴在超声波探头的后方，用来检测超声波传感器70温度变化。
DS18B20温度传感器具有很多优良特性：采用单总线接口，可以将多个DS18B20同时并联在同一总线上，实现多点测量；测温范围广，温度测量范围为-55到+125℃，在-10℃到+85℃范围内误差为±0.4℃；测温精度高，转换速度快，可以在很短的时间里直接输出数字量，其中转换9位分辨率数据可以在93 ms内完成。
一方面，由于极低温环境下会使超声波传感器70的最佳工作频率发生变化，温度与工作频率呈反比例相关，随着温度的降低，超声波传感器70的工作频率会逐渐上升。
当发射的频率过高或者过低时很有可能会被滤波电路滤除，影响测量结果。
另一方面，极低温也可能导致超声波探头结冰无法正常工作。
针对上述问题，本申请使用模糊PID控制器对加热电路80进行控制，既解决超声波探头在极低温度环境下被冻住的问题，还可以消除工作频率不稳定影响信号接收的干扰。
参见图9，加热电路80主要由光电耦合器TPL521和增强型N沟道MOS管Q5组成，其中光电耦合器TPL521输入端HEAD1连接MCU 10，它可以将MCU端和加热端进行电气隔离，起到保护MCU 10的作用。
MCU 10利用模糊PID器控制输出不同脉冲宽度的PWM波，通过控制光电耦合器TPL521来进一步控制MOS管Q5的通断。
在输入端HEAD1输出高电平时，光电耦合器TPL521和MOS管Q5导通，对超声波传感器70进行加热（具体为超声波传感器70的加热电阻加热），在输入端HEAD1输出低电平时，光电耦合器TPL521和MOS管Q5关断，加热停止。
即，在MCU 10接收到超声波传感器70的温度低于预设温度时，在输入端HEAD1输出高电平，启动加热，而在温度高于预设温度时，在输入端HEAD1输出低电平，停止加热。
如此采用模糊PID控制方式，实现对超声波传感器70的恒温控制，确保超声波传感器70保持在预设温度（例如15℃）左右。
在本申请中，参见图1，可以通过上位机与MCU 10通讯，实现远程信号传送。
在本申请中，上位机和MCU 10之间信号的传输方式选择485传输，该方式传输距离可以从几十米到上千米，采用平衡发送和差分接收，因此具有很好的抑制共模干扰的能力。
本申请提供的超声波测风装置，各元件的工作温度均能满足极低温环境，且具有保温壳体60进行防护，满足极低温环境下的工作需求，并且能够对超声波传感器70进行控温，使超声波传感器70在极低温环境下具有较佳的发射频率，满足极低温环境下测量需求。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种极低温环境下用超声波测风装置，包括超声波传感器，所述超声波传感器具有基于四个方向设置的四个超声波探头，其特征在于，所述超声波测风装置还包括保温壳体、温度采集单元和加热电路，所述保温壳体内设MCU、TDC-GP22芯片、通道选择电路、驱动电路和接收调理电路；
所述TDC-GP22芯片与所述MCU串口通信；
所述通道选择电路具有四通道且受控于MCU，各通道的输入端均与所述TDC-GP22芯片的脉冲发射端连接；
四路驱动电路的输入端分别连接各通道的输出端，所述输出端输出用于驱动超声波探头发射超声波的脉冲，使对向超声波探头输出回波信号并通过所述接收调理电路返回至所述TDC-GP22芯片，以触发停止计时信号，所述MCU基于TDC-GP22芯片输出的顺流传播时间和逆流传播时间计算风速，所述驱动电路、接收调理电路和通道选择电路的工作温度均在-55℃以上；
所述温度采集单元用于采集所述超声波传感器的温度；
所述加热电路用于对所述超声波传感器的温度低于预设温度时进行加热，MCU分别与所述温度采集单元和加热电路连接，用于对所述超声波传感器进行控温。
2.根据权利要求1所述的超声波测风装置，其特征在于，所述通道选择电路基于MC14066B芯片设计；和/或
所述驱动电路包括开关控制元件、高频变压器、储能电路和滤波电路，所述开关控制元件受控于TDC-GP22芯片发射的方波脉冲控制开关，电源通过所述储能电路连接所述高频变压器的初级侧一端，初级侧另一端连接所述开关控制元件的输出端，次级侧连接所述滤波电路，所述滤波电路的输出端作为驱动电路的输出端，其中所述开关控制元件选择工作温度在-55℃以上的MOS管。
3.根据权利要求1所述的超声波测风装置，其特征在于，所述接收调理电路包括：
一级放大电路，其用于放大所述回波信号；
滤波电路，其用于对所放大后的回波信号进行滤波；
二级放大电路，其用于对滤波后的回波信号再放大。
4.根据权利要求3所述的超声波测风装置，其特征在于，
所述一级放大电路为同相比例放大电路；
所述滤波电路为压控电源型二阶有源带通滤波；
所述二级放大电路为反相比例放大电路。
5.根据权利要求1所述的超声波测风装置，其特征在于，所述温度采集单元其贴设在所述超声波传感器上，用于采集所述超声波传感器的温度；
MCU接收所述超声波传感器的温度并采用模糊PID控制器，控制所述加热电路加热或停止加热。
6.根据权利要求1所述的超声波测风装置，其特征在于，所述超声波测风装置还包括：
电源单元，其置于所述保温壳体内，用于对所述超声波测风装置中用电部件供电。
7.根据权利要求6所述的超声波测风装置，其特征在于，所述电源单元包括：
电源，其输出供电直流电24V；
多个电源转换芯片，其工作温度均在-40℃以上，且包括第一电源转换芯片、第二电源转换芯片和第三电源转换芯片，所述第一电源转换芯片用于将所述直流电24V转换为直流电±15V，所述第二电源转换芯片用于将直流电+15V转换为直流电+5V，所述第三电源转换芯片用于将直流电+15V转换为直流电+3.3V。
8.根据权利要求1所述的超声波测风装置，其特征在于，所述超声波测风装置还包括：
上位机，其与MCU通讯连接。
9.根据权利要求2所述的超声波测风装置，其特征在于，所述驱动电路接收所述脉冲发射端输出方波脉冲，且输出正弦波，用于激励超声波传感器。
10.根据权利要求9所述的超声波测风装置，其特征在于，在所述超声波传感器表面使用防覆冰涂料。
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| CN117783571B (zh) * | 2024-02-27 | 2024-06-04 | 山西阳光三极科技股份有限公司 | 一种超声波风速仪的工作电路 |
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