超聲波風速風向儀原理

在測風的各種儀器中，風杯風速計由于成本較低，使用方便，是使用歷史常用的一種儀器。但同時也存在著不少問題，如這些機械裝置因具有移動部件而易磨損、體積較大、需要經常維護，且儀器支架和安裝支架對測量精度有著很大的影響。其機械結構也可能受到惡劣天氣的損害，機械式風速風向儀還存在啟動風速，低于啟動值的風速將不能驅動螺旋槳或者風杯進行旋轉，無法進行測量。

隨著發展，超聲波風速風向儀走進大眾視野。它采用固態設計，利用超聲波在空氣中傳播速度受風的影響來測量風速，克服了機械式風速風向儀的一些缺點，不存在機械磨損、阻塞、冰凍等問題，也沒有“機械慣性”，理論上可以測量的風速范圍下限為零，不存在啟動風速；風速上限可以分局傳感器間距進行調整。

在空氣中，聲波的傳播速度被在風方向上的空氣流動所改變。如果風向和聲波的傳播方向相同，就會提高聲波的傳播速度，反之則會減少聲波的速度。在一個固定的測量路徑中，在不同的風速和風向上疊加而成的聲波傳播速度會導致不同的聲波傳播時間。因而可以通過風速風量對超聲脈沖在固定路徑上兩個方向的輸送時間差進行風速測量。

利用超聲波測量風速風向，其核心在于測量超聲波在空氣中傳播的時間，即所謂的飛渡時間。超聲波從一個探頭傳送到另一個探頭所需要的的時間是與風速以及超聲通路有關。順風將使超聲信號傳播時間遞增，逆風將會使之遞減。如果風速為零，信號雙向的傳輸時間相等。如果在兩個不相干方向上同時測量風速，就可以通過三角學合成計算出風速以及風向。依次原理，超聲波風速儀可僅僅使用三個探頭即可確定平面中的風速分向。但是在實際設計中，由于涉及到信號強弱的問題，使用四個探頭的設計也較常見。

對于特定風向傳播（如東西方向或南北方向），可選用一堆收發一體的超聲波探頭，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。

一般，超聲波風速風向儀包含三個發送和接收一體的超聲波傳感器，實現三維空間內風速和風向的測量。測試儀具有環境溫度測試單元，由此測量并補償環境溫度對超聲波傳播速度的影響。超聲波在空氣中傳播時，順風與逆風方向傳播的時間差與待測風速具有線性關系。

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。

超聲波傳感器模塊：由超聲波傳感器和超聲波發送驅動、接收處理電路組成。超聲波發送驅動將單片機產生的脈沖信號發送給超聲波探頭發射；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。

超聲波收發控制模塊：選擇當前工作的收發探頭，發射、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。

FLASH：用于保存測試儀的設置參數及風速、風向的測量數據。

RS485：用于與計算機通信，便于用戶實時監測、獲取及修改設備參數

AD與測溫電路：用于測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。