制造技术超声波风速风向测试仪的设计风速

制造技术超声波风速风向测试仪的设计1北京市密云气象局北京101500；2北京市气象局北京100089该设计的超声波风速风向测试仪具有低功耗、精度高、可靠性强、检测速度快、检测范围大（测量范围：060m/s）该测试仪，等特点。基于传统时差法的超声波风速风向检测方法，型安装方式，dsPIC33F系列单片机进行控制准确获取时差，实现风速风向测量。该测试仪在风洞测试时，获得较高地精度和稳定度。关键词：超声波风速风向时差法中图分类号：TP274.4文献标1）007-104-031引言二维风速、风向测量原理近几年，用超声波实现风速风向检测一直是个炙手可热的课题，目前该技术在国外已应用的非常成熟，而在国内该技术用于测风领域还处于发展阶段。国内生产的自动气象站在测风领域大都仍采用传统的机械式测风技术，超声波测风技术未得到广泛应用。近些年，随着国外超声波测风设备的流入，国内超声波测风的设备几乎都被国外厂家占据，而国内厂家仍未生产出成熟的超声波测风设备。随着气象站在各个领域的广泛应用风速 风向，超声波测风设备由于其具有传统机械式测风设备所不具有的独特优势，必将占据更大的市场份额。鉴于风速、风向测量坐标图此，本文设计的超声波风速风向测试仪具有量程宽、精确度高设南北或东西两超声收发器的距离均为两对顺、逆的优点，且能快速应用于自动气象站。

传播时间t12、21，34、43，t12为由西到东，21为由东到西，34t2超声波时差法测风原理南到北，为由北到南，t43风速为VW，东西为VWx，南北VWy，超超声波在空气中传播时，顺风与逆风方向传播存在一个声波传播速VC。根据公式可求得：速度差，当传播固定的距离时，此速度差反映成一个时间差，这个时间差与待测风速具有线性关系。东西方向上风速为：wx1221对于特定风向传播如东西方向或南北方向，可选用一对同理可求得南北方向上风速为VWy：Wy34收发一体的超声波探头，保证两探头距离不变，按东西或南北43进而得出风速VWVWx、wy的关系式：Wx2VWy2V方向放置，以固定频率顺序发射超声波，测量两个方向上超声波到达时间，由此得到顺风的传播速度和逆风的传播速度，代入化简可得风速：12213443过系统处理换算即可得到风速值。风向公式：cos设正东方向为0，角度按逆时针方具体原理图见图探头作为发射探头，探头作向增大。为接收探头，进行测量时得到一个时间，然后头作为发射将东西方向上风速及公式求得风速代入可得：探头，探头作为接收探头得到相对方向上的另一个时间。向测量原理图随着风向从0-360变化，可得风向如下公式：设南北或东西顺风传输时间为t12，逆风传输时间为t21，风速为Vw，超声波传播速度为c，可得：VcVw12VcVw21化简可得：1221该方法能准确测得单一方向的风速。

制造技术4超声波风速风向测试仪的实现超声波风速风向测试仪硬件模块主要有超声波传感器、设计中使用的超声波探头为美国AIRMAR公司的AT200超声波发送驱动及接收处理电路、实时时钟、FLASH、RS485、（200khz）探头，探头推荐的接收范围为10cm2m，典型应用AD探头温度测量电路、探头加热电路等。系统方框图为12cm试仪结构小巧，四个探头分别在东、如图等距安装，距离设置为12cm，这样既各模块功能描述：可以保证超声波探头接收精度，又使结构灵活小巧。超声波传感器模块：由超声波传感器和超声波发所示。动、接收处理电路组成。超声波发送驱动将单片机产生的脉冲信号发送给超声波探头发射；超声波接收探头接收到超声波信号后，由接收处理电路进行信号滤波、信号放大及电压比较电路等，通过IO引脚产生中断输入到单片机。2超声波收发控制模块：选择当前工作的收发探发射、接收脉冲信号，测量超声波脉冲的接收时间，并计算风速、FLASH：用于保存测试仪的设置参数及风速、风向的测量数据。型安装测风原理图4RS485：用于与计算机通信，便于用户实时监测、获取及t12为传感器接收到的顺修改设备参数。风传播时AD与测温电路：用于测量超声波传感器探头表面温t21为传感器发出的超声波信号到传感器接收到的逆度。

风传播时间；6加热模块：在工作温度较低的环境下，用于给四个超声的传播距波传感器加热风速 风向，防止探头表面结冰，影响测试仪测量。离（a—b—c）4.2超声波风速风向测试仪的软件设计4.2.1超声波收发控制t12风速采样过程中，超声波收发控制模块通过电子开关，先打开超声波传感器探头的收通道，同时由产t2110个脉冲，发送出去，在发送个脉冲后，开启超声波信号接收计时；波脉冲后，读取测得计时器的时间t13，关闭当前的超声波收、单位：m。发通道。接着打开探头测量t31的时间；气体速度之后，探头2112；t42的时间。2112可得声所示。4.2.2风速、风向值计算2112；2112为能准确获取每秒风速、风向的实际值，测试仪中风速、4.1超声波风速风向测试仪的硬件设计风向的采样率为4Hz，并把每次采样的风速、向值记录下来，本文设计的测试仪，收发超声波传感器间的传输距离为样完成后，求平均值，得到的平均值即为当前秒的风12cm，声波在空气中的传播速度为340m/s，则超声波从发送到接收所需传输时间为0.353ms，因此在设计时系统必须要有较快的测量精度及处理能力。用dsPIC33F系列单片可设置为40MHZ，检测时间精度最高可达0.025us，满足设计要求。

105现代设计制造技术速、风向值。为提高风速、风向的测量精度，设置风速、风向平的风场测试环境。经过多次试验，该环境产生的风在一定时均值的计算时间（1-3600s）获取某段时间内的风速、风向值，间内基本能够稳定，可满足设计模拟环境的需要。并将测量数据上报。在模拟风场环境下，主要与计量中心计量合格的德国lufft风速、风向值的计算流程图如图所示。气象站的风速测量值进行对比。测量数据如表所示。4.2.3加热控制量数据为降低设备功耗，探头加热控制只在加热使能打开后，德国lufft气象测试仪风速风洞风速实际值测试仪测量值进行温度加热监控，加热监控间隔时间为15秒。当探头温度低于加热控制开关打开，加热电路为四个探头加热；3.052.67加热控制开关关闭。3.763.51109.8加热控制流程图如图所示。6.856.561514.75实验结果8.688.232019.85.1模拟风场测试数据11.5011.322524.6在前期设计过程中，利用空气压缩机向压缩罐内压缩一15.6315.37定压力的空气，60m/17.9717.5520.0720.2524.1324.1324.92 25.26 28.48 29.19 33.34 33.42 36.72 36.63 41.17 41.43 44.85 45.41 52.7 51.82 5.2 气象局计量中心计量数据 （见表 测试结果符合气象计量中心对风速测试设备的指标要求。

结论超声波风速风向检测设备以其独特的优点在气象行业、 农林 水利、 电力环境、海洋环境等领域已被广泛应用。目前国 内超声波测风设备主要 从国外代理， 价格高昂。 本文设计的超声波风速、风向测试仪在提高测试仪稳定 性、可靠性、 精度的同时，也高度重视设备的功耗。通过大量 实验测试及计量中 心测试， 证明了该超声波风速、 风向测试仪 的精度及可靠性， 且本文设计的风 风向测试仪与国内外同行产品相比， （0.2w）性价比高。 人机交互方面，通过 R485 通信接口， 可进行参数配置 及风速补偿， 并能实时 监测及查询测量记录， 应用比较灵活。 该超声波风速、 风向测试仪进入国内市场 必将给市场带来一定的冲击。 风向计算流程图风速、 参考文献： 保强李一丁.超声波风速风向检测技术的研究J.声学技术2008274:1-5. 岗张小花等.基于SOPC 技术的超声波风速 风向测量系统设计 应用声学20076:357-361. 郭建中林树玉高伟.超声波换能器电感电容匹配电路的改进J.压电 与声学20053:257-259. 加热控制流程图106