王華英等

摘 要：該設計的超聲波風速風向測試儀具有低功耗、精度高、可靠性強、檢測速度快、檢測范圍大（測量范圍：0～60m/s）等特點。該測試儀，基于傳統時差法的超聲波風速風向檢測方法，并采用同側V 型安裝方式，由dsPIC33F系列單片機進行控制準確獲取時差，實現風速風向測量。該測試儀在風洞測試時，獲得較高地精度和穩(wěn)定度。

關鍵詞：超聲波 風速風向 時差法

中圖分類號：TP274.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）007-104-03

1 引言

近幾年，用超聲波實現風速風向檢測一直是個炙手可熱的課題，目前該技術在國外已應用的非常成熟，而在國內該技術用于測風領域還處于發(fā)展階段。國內生產的自動氣象站在測風領域大都仍采用傳統的機械式測風技術，超聲波測風技術未得到廣泛應用。近些年，隨著國外超聲波測風設備的流入，國內超聲波測風的設備幾乎都被國外廠家占據，而國內廠家仍未生產出成熟的超聲波測風設備。隨著氣象站在各個領域的廣泛應用，超聲波測風設備由于其具有傳統機械式測風設備所不具有的獨特優(yōu)勢，必將占據更大的市場份額。鑒于此，本文設計的超聲波風速風向測試儀具有量程寬、精確度高的優(yōu)點，且能快速應用于自動氣象站。

2 超聲波時差法測風原理

超聲波在空氣中傳播時，順風與逆風方向傳播存在一個速度差，當傳播固定的距離時，此速度差反映成一個時間差，這個時間差與待測風速具有線性關系。

對于特定風向傳播（如東西方向或南北方向），可選用一對收發(fā)一體的超聲波探頭，保證兩探頭距離不變，按東西或南北方向放置，以固定頻率順序發(fā)射超聲波，測量兩個方向上超聲波到達時間，由此得到順風的傳播速度和逆風的傳播速度，經過系統處理換算即可得到風速值。

具體原理圖見圖1，首先1探頭作為發(fā)射探頭，2探頭作為接收探頭，進行測量時得到一個時間，然后2探頭作為發(fā)射探頭，1探頭作為接收探頭得到相對方向上的另一個時間。

圖1 超聲波風速、風向測量原理圖

設南北（或東西） 兩超聲收發(fā)器的距離為d，順風傳輸時間為t12，逆風傳輸時間為t21，風速為Vw，超聲波傳播速度為Vc，可得：

=Vc+Vw

=Vc-Vw

化簡可得：Vw= （-） （1）

該方法能準確測得單一方向的風速。

3 二維風速、風向測量原理

圖2 風速、風向測量坐標圖

設南北（或東西） 兩超聲收發(fā)器的距離均為d，兩對順、逆?zhèn)鞑r間t12、t21，t34、t43，設t12為由西到東，t21為由東到西，t34為南到北，t43為由北到南，風速為VW，東西為VWx，南北為VWy，超聲波傳播速度為VC。根據公式⑴可求得：

東西方向上風速為：Vwx= （-）

同理可求得南北方向上風速為VWy：VWy= （-）

進而得出風速VW與VWx、Vwy的關系式：VWx2=+VWy2

代入化簡可得風速：Vw= （2）

風向 公式：cos = 設正東方向為0埃嵌勸茨媸閉敕較蛟齟蟆？

將東西方向上風速及公式⑵求得風速代入可得：

化簡并求反函數： （3）

隨著風向從0-360氨浠傻梅縵蛉縵鹿艦齲？

（4）

4 超聲波風速風向測試儀的實現

設計中使用的超聲波探頭為美國AIRMAR公司的AT200（200khz）探頭，探頭推薦的接收范圍為10cm～2m，典型應用為12cm～2m。為使測試儀結構小巧，四個探頭分別在東、西、南、北方向進行V型等距安裝，距離設置為12cm，這樣既可以保證超聲波探頭接收精度，又使結構靈活小巧。

V型安裝測風原理框圖如圖3所示。

圖3 V型安裝測風原理圖

t12為傳感器a發(fā)出的超聲波信號到傳感器b接收到的順風傳播時間；

t21為傳感器b發(fā)出的超聲波信號到傳感器a接收到的逆風傳播時間；

設L為超聲波信號從傳感器a傳播到傳感器c的傳播距離（a—b—c），可得：

t12 = ；

t21 = ；

式中：X為徑向距離，單位：m；C為氣體聲速，單位：m/s；

V為風速，單位：m/s；L為超聲波傳播距離，單位：m。

氣體速度V可得：

V = * ；

可得聲速C：

C = * ；

4.1 超聲波風速風向測試儀的硬件設計

本文設計的測試儀，收發(fā)超聲波傳感器間的傳輸距離為12cm，聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，則超聲波從發(fā)送到接收所需傳輸時間為0.353ms，因此在設計時系統必須要有較快的測量精度及處理能力。

為提高風速風向測試儀的檢測精度，處理器選用dsPIC33F系列單片機，該單片機系統時鐘最高可設置為40MHZ，檢測時間精度最高可達0.025us，滿足設計要求。

超聲波風速風向測試儀硬件模塊主要有超聲波傳感器、超聲波發(fā)送驅動及接收處理電路、實時時鐘、FLASH、RS485、AD采樣、探頭溫度測量電路、探頭加熱電路等。系統方框圖如圖4所示。

各模塊功能描述：

（1）超聲波傳感器模塊：由超聲波傳感器和超聲波發(fā)送驅動、接收處理電路組成。超聲波發(fā)送驅動將單片機產生的脈沖信號發(fā)送給超聲波探頭發(fā)射；超聲波接收探頭接收到超聲波信號后，由接收處理電路進行信號濾波、信號放大及電壓比較電路等，通過IO引腳產生中斷輸入到單片機。

（2）超聲波收發(fā)控制模塊：選擇當前工作的收發(fā)探頭，發(fā)射、接收脈沖信號，測量超聲波脈沖的接收時間，并計算風速、風向值。

（3） FLASH：用于保存測試儀的設置參數及風速、風向的測量數據。

（4）RS485：用于與計算機通信，便于用戶實時監(jiān)測、獲取及修改設備參數。

（5） AD與測溫電路：用于測量超聲波傳感器探頭表面溫度。

（6）加熱模塊：在工作溫度較低的環(huán)境下，用于給四個超聲波傳感器加熱，防止探頭表面結冰，影響測試儀測量。

4.2 超聲波風速風向測試儀的軟件設計

4.2.1 超聲波收發(fā)控制

在風速采樣過程中，超聲波收發(fā)控制模塊通過電子開關，先打開超聲波傳感器探頭1的發(fā)、探頭3的收通道，同時由產生占空比為1：1的10個脈沖，通過探頭1發(fā)送出去，在發(fā)送第1個脈沖后，開啟超聲波信號接收計時；在探頭3收到超聲波脈沖后，讀取測得計時器的時間t13，關閉當前的超聲波收、發(fā)通道。接著打開探頭3的發(fā)，探頭1的收，測量t31的時間；之后，探頭2、探頭4重復探頭1、探頭3的測量步驟，測量t24、t42的時間。

超聲波探頭的收發(fā)控制流程如圖5所示。

4.2.2 風速、風向值計算

為能準確獲取每秒風速、風向的實際值，測試儀中風速、風向的采樣率為4Hz，并把每次采樣的風速、風向值記錄下來，在4次采樣完成后，求平均值，得到的平均值即為當前秒的風速、風向值。為提高風速、風向的測量精度，設置風速、風向平均值的計算時間（1-3600s），獲取某段時間內的風速、風向值，并將測量數據上報。

風速、風向值的計算流程圖如圖6所示。

4.2.3 加熱控制

為降低設備功耗，探頭加熱控制只在加熱使能打開后，才進行溫度加熱監(jiān)控，加熱監(jiān)控間隔時間為15秒。當探頭溫度低于4度時，加熱控制開關打開，加熱電路為四個探頭加熱；當探頭溫度高于4度時，加熱控制開關關閉。

加熱控制流程圖如圖7所示。

5 實驗結果

5.1 模擬風場測試數據

在前期設計過程中，利用空氣壓縮機向壓縮罐內壓縮一定壓力的空氣，再通過控制壓縮罐的放氣開關來模擬0～60m/s的風場測試環(huán)境。經過多次試驗，該環(huán)境產生的風在一定時間內基本能夠穩(wěn)定，可滿足設計模擬環(huán)境的需要。

在模擬風場環(huán)境下，主要與計量中心計量合格的德國lufft氣象站的風速測量值進行對比。測量數據如表1所示。

表1 測量數據 表2 計量數據

5.2 氣象局計量中心計量數據（見表2）

測試結果符合氣象計量中心對風速測試設備的指標要求。

6 結論

超聲波風速風向檢測設備以其獨特的優(yōu)點在氣象行業(yè)、農林水利、電力環(huán)境、海洋環(huán)境等領域已被廣泛應用。目前國內超聲波測風設備主要從國外代理，價格高昂。

本文設計的超聲波風速、風向測試儀在提高測試儀穩(wěn)定性、可靠性、精度的同時，也高度重視設備的功耗。通過大量實驗測試及計量中心測試，證明了該超聲波風速、風向測試儀的精度及可靠性，且本文設計的風速、風向測試儀與國內外同行產品相比，功耗較低（0.2w）、性價比高。

在人機交互方面，通過R485通信接口，可進行參數配置及風速補償，并能實時監(jiān)測及查詢測量記錄，應用比較靈活。該超聲波風速、風向測試儀進入國內市場后，必將給市場帶來一定的沖擊。

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