超聲波風速風向傳感器測速原理及其應用

風矢量是指風速和風向，是氣象監測中基本的監測要素之一。

現代氣象站隨著物聯網技術和傳感器技術的發展，變得越來越智能化，并逐漸向著全天無人值守發展。因此，現代氣象站迫切需要一款精度高，免維護的風速風向傳感器。 

傳統的機械式風速風向傳感器存在轉動部件，容易產生磨損。機械結構可能受到惡劣天氣的損害。沙塵和鹽霧也會對其造成腐蝕。同時由于摩擦的存在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。因此對于低于啟動風速的微風機械式風速儀將無法測量。為克服傳統風杯式風速風向儀的固有缺點新型超聲波風速風向儀應運而生。

超聲波風速風向傳感器由于其反應速度快、測量精度高、維護使用方便等優點，在工業領域和科學研究中得到了廣泛地應用。超聲波風速風向傳感器主要利用四個垂直放置的超聲波傳感器發射的超聲波頻率差別來計算風速和風向，并通過傳感器輸出以風速（m/s）和風向（°）。

三種超聲波測速法

超聲波式測風速主要有時差法、頻差法、相位差法和相關法等測量方法。

時差法

時差法為常見，其原理為：在平靜空氣中，聲波的傳播速度會被在風方向的空氣流動所改變。如果風向和聲波的傳播方向相同，就會增大聲波的傳播速度，反之則會減小聲波的速度。

在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，當傳播固定距離時，此速度差反映一個時間差,這個時間差與待測風速具有線性關系。因此，超聲波風速風向傳感器是以固定頻率順序發射超聲波，測量兩個方向上超聲波的到達時間，由此得到順風的傳播速度和逆風的傳播速度，經過處理換算即得到風速值。

頻差法

頻差法是循環多次的直接法此法的精度是直接時差法的循環次數倍適用于中、小口徑管道優點是精度高、受溫度影響較小缺點是受環境影響大工作不穩定。

相位差法

相位差法是將風速通過時間差轉換為相位進行測量。

超聲波風速風向傳感器存在的問題

風向角瞬變問題：在分析由二維超聲波風速風向傳感器測得的風向信號時，風向數據中普遍存在風向角瞬變現象，即在很短的時間內風向角出現極為劇烈且幅度很大的波動。風向角瞬變時段的風向信號波動特性與其他時段明顯不同，只有深入了解出現風向角瞬變現象的原因，才能判斷出這種現象是否會對后續風向信號波動分析產生影響，如果有不利影響，還應采用適當的方法對風向信號做合理的修正。

超聲波風速風向傳感器目前廣泛應用于電力安全監控、橋梁隧道、航海船舶城市環境監測、道路安全等領域。超聲波風速儀的諸多優點使其運用越來越廣泛，是未來將占風速測量裝置的主導位置。