超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀原理

在測(cè)風(fēng)的各種儀器中，風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)由于成本較低，使用方便，是使用歷史常用的一種儀器。但同時(shí)也存在著不少問題，如這些機(jī)械裝置因具有移動(dòng)部件而易磨損、體積較大、需要經(jīng)常維護(hù)，且儀器支架和安裝支架對(duì)測(cè)量精度有著很大的影響。其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可能受到惡劣天氣的損害，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀還存在啟動(dòng)風(fēng)速，低于啟動(dòng)值的風(fēng)速將不能驅(qū)動(dòng)螺旋槳或者風(fēng)杯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，無法進(jìn)行測(cè)量。

隨著發(fā)展，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀走進(jìn)大眾視野。它采用固態(tài)設(shè)計(jì)，利用超聲波在空氣中傳播速度受風(fēng)的影響來測(cè)量風(fēng)速，克服了機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀的一些缺點(diǎn)，不存在機(jī)械磨損、阻塞、冰凍等問題，也沒有“機(jī)械慣性”，理論上可以測(cè)量的風(fēng)速范圍下限為零，不存在啟動(dòng)風(fēng)速；風(fēng)速上限可以分局傳感器間距進(jìn)行調(diào)整。

在空氣中，聲波的傳播速度被在風(fēng)方向上的空氣流動(dòng)所改變。如果風(fēng)向和聲波的傳播方向相同，就會(huì)提高聲波的傳播速度，反之則會(huì)減少聲波的速度。在一個(gè)固定的測(cè)量路徑中，在不同的風(fēng)速和風(fēng)向上疊加而成的聲波傳播速度會(huì)導(dǎo)致不同的聲波傳播時(shí)間。因而可以通過風(fēng)速風(fēng)量對(duì)超聲脈沖在固定路徑上兩個(gè)方向的輸送時(shí)間差進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。

利用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，其核心在于測(cè)量超聲波在空氣中傳播的時(shí)間，即所謂的飛渡時(shí)間。超聲波從一個(gè)探頭傳送到另一個(gè)探頭所需要的的時(shí)間是與風(fēng)速以及超聲通路有關(guān)。順風(fēng)將使超聲信號(hào)傳播時(shí)間遞增，逆風(fēng)將會(huì)使之遞減。如果風(fēng)速為零，信號(hào)雙向的傳輸時(shí)間相等。如果在兩個(gè)不相干方向上同時(shí)測(cè)量風(fēng)速，就可以通過三角學(xué)合成計(jì)算出風(fēng)速以及風(fēng)向。依次原理，超聲波風(fēng)速儀可僅僅使用三個(gè)探頭即可確定平面中的風(fēng)速分向。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于涉及到信號(hào)強(qiáng)弱的問題，使用四個(gè)探頭的設(shè)計(jì)也較常見。

對(duì)于特定風(fēng)向傳播（如東西方向或南北方向），可選用一堆收發(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(cè)量?jī)蓚€(gè)方向上超聲波到達(dá)時(shí)間，由此得到順風(fēng)的傳播速度和逆風(fēng)的傳播速度，經(jīng)過系統(tǒng)處理換算即可得到風(fēng)速值。

一般，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀包含三個(gè)發(fā)送和接收一體的超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)量。測(cè)試儀具有環(huán)境溫度測(cè)試單元，由此測(cè)量并補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響。超聲波在空氣中傳播時(shí)，順風(fēng)與逆風(fēng)方向傳播的時(shí)間差與待測(cè)風(fēng)速具有線性關(guān)系。

超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試儀硬件模塊主要有超聲波傳感器、超聲波發(fā)送驅(qū)動(dòng)及接收處理電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、FLASH、RS485、AD采樣、探頭溫度測(cè)量電路、探頭加熱電路等。

超聲波傳感器模塊：由超聲波傳感器和超聲波發(fā)送驅(qū)動(dòng)、接收處理電路組成。超聲波發(fā)送驅(qū)動(dòng)將單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)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(hào)后，由接收處理電路進(jìn)行信號(hào)濾波、信號(hào)放大及電壓比較電路等，通過IO引腳產(chǎn)生中斷輸入到單片機(jī)。

超聲波收發(fā)控制模塊：選擇當(dāng)前工作的收發(fā)探頭，發(fā)射、接收脈沖信號(hào)，測(cè)量超聲波脈沖的接收時(shí)間，并計(jì)算風(fēng)速、風(fēng)向值。

FLASH：用于保存測(cè)試儀的設(shè)置參數(shù)及風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量數(shù)據(jù)。

RS485：用于與計(jì)算機(jī)通信，便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、獲取及修改設(shè)備參數(shù)

AD與測(cè)溫電路：用于測(cè)量超聲波傳感器探頭表面溫度。

加熱模塊：在工作溫度較低的環(huán)境下，用于給四個(gè)超聲波傳感器加熱，防止探頭表面結(jié)冰，影響測(cè)試儀測(cè)量。