超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀的設(shè)計

王華英等

摘 要：該設(shè)計的超聲波風(fēng)速風(fēng)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(tǒng)時差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測方法，并采用同側(cè)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(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向測量。該測試儀在風(fēng)洞測試時，獲得較高地精度和穩(wěn)定度。

關(guān)鍵詞：超聲波 風(fēng)速風(fēng)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(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向檢測一直是個炙手可熱的課題，目前該技術(shù)在國外已應(yīng)用的非常成熟，而在國內(nèi)該技術(shù)用于測風(fēng)領(lǐng)域還處于發(fā)展階段。國內(nèi)生產(chǎn)的自動氣象站在測風(fēng)領(lǐng)域大都仍采用傳統(tǒng)的機械式測風(fēng)技術(shù)，超聲波測風(fēng)技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用。近些年，隨著國外超聲波測風(fēng)設(shè)備的流入，國內(nèi)超聲波測風(fēng)的設(shè)備幾乎都被國外廠家占據(jù)，而國內(nèi)廠家仍未生產(chǎn)出成熟的超聲波測風(fēng)設(shè)備。隨著氣象站在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，超聲波測風(fēng)設(shè)備由于其具有傳統(tǒng)機械式測風(fēng)設(shè)備所不具有的獨特優(yōu)勢，必將占據(jù)更大的市場份額。鑒于此，本文設(shè)計的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀具有量程寬、精確度高的優(yōu)點，且能快速應(yīng)用于自動氣象站。

2 超聲波時差法測風(fēng)原理

超聲波在空氣中傳播時，順風(fēng)與逆風(fēng)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(fēng)速具有線性關(guān)系。

對于特定風(fēng)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(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。

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(fēng)速、風(fēng)向測量原理圖

設(shè)南北（或東西） 兩超聲收發(fā)器的距離為d，順風(fēng)傳輸時間為t12，逆風(fēng)傳輸時間為t21，風(fēng)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(fēng)速。

3 二維風(fēng)速、風(fēng)向測量原理

圖2 風(fēng)速、風(fēng)向測量坐標圖

設(shè)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(shè)t12為由西到東，t21為由東到西，t34為南到北，t43為由北到南，風(fēng)速為VW，東西為VWx，南北為VWy，超聲波傳播速度為VC。根據(jù)公式⑴可求得：

東西方向上風(fēng)速為：Vwx= （-）

同理可求得南北方向上風(fēng)速為VWy：VWy= （-）

進而得出風(fēng)速VW與VWx、Vwy的關(guān)系式：VWx2=+VWy2

代入化簡可得風(fēng)速：Vw= （2）

風(fēng)向 公式：cos = 設(shè)正東方向為0埃嵌勸茨媸閉敕較蛟齟?。?/p>

將東西方向上風(fēng)速及公式⑵求得風(fēng)速代入可得：

化簡并求反函數(shù)： （3）

隨著風(fēng)向從0-360氨浠傻梅縵蛉縵鹿艦齲？

（4）

4 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀的實現(xiàn)

設(shè)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(yīng)用為12cm～2m。為使測試儀結(jié)構(gòu)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(shè)置為12cm，這樣既可以保證超聲波探頭接收精度，又使結(jié)構(gòu)靈活小巧。

V型安裝測風(fēng)原理框圖如圖3所示。

圖3 V型安裝測風(fēng)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(fēng)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(fēng)傳播時間；

設(shè)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(fēng)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(fēng)速風(fēng)向測試儀的硬件設(shè)計

本文設(shè)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(shè)計時系統(tǒng)必須要有較快的測量精度及處理能力。

為提高風(fēng)速風(fēng)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(tǒng)時鐘最高可設(shè)置為40MHZ，檢測時間精度最高可達0.025us，滿足設(shè)計要求。

超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀硬件模塊主要有超聲波傳感器、超聲波發(fā)送驅(qū)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(tǒng)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(qū)動、接收處理電路組成。超聲波發(fā)送驅(qū)動將單片機產(chǎn)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(chǎn)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(fēng)速、風(fēng)向值。

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

（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(shè)備參數(shù)。

（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(jié)冰，影響測試儀測量。

4.2 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測試儀的軟件設(shè)計

4.2.1 超聲波收發(fā)控制

在風(fēng)速采樣過程中，超聲波收發(fā)控制模塊通過電子開關(guān)，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(chǎn)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(guān)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(fù)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(fēng)速、風(fēng)向值計算

為能準確獲取每秒風(fēng)速、風(fēng)向的實際值，測試儀中風(fēng)速、風(fēng)向的采樣率為4Hz，并把每次采樣的風(fēng)速、風(fēng)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(fēng)速、風(fēng)向值。為提高風(fēng)速、風(fēng)向的測量精度，設(shè)置風(fēng)速、風(fēng)向平均值的計算時間（1-3600s），獲取某段時間內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向值，并將測量數(shù)據(jù)上報。

風(fēng)速、風(fēng)向值的計算流程圖如圖6所示。

4.2.3 加熱控制

為降低設(shè)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(guān)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(guān)關(guān)閉。

加熱控制流程圖如圖7所示。

5 實驗結(jié)果

5.1 模擬風(fēng)場測試數(shù)據(jù)

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

在模擬風(fēng)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(fēng)速測量值進行對比。測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù) 表2 計量數(shù)據(jù)

5.2 氣象局計量中心計量數(shù)據(jù)（見表2）

測試結(jié)果符合氣象計量中心對風(fēng)速測試設(shè)備的指標要求。

6 結(jié)論

超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測設(shè)備以其獨特的優(yōu)點在氣象行業(yè)、農(nóng)林水利、電力環(huán)境、海洋環(huán)境等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)超聲波測風(fēng)設(shè)備主要從國外代理，價格高昂。

本文設(shè)計的超聲波風(fēng)速、風(fēng)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(shè)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(fēng)速、風(fēng)向測試儀的精度及可靠性，且本文設(shè)計的風(fēng)速、風(fēng)向測試儀與國內(nèi)外同行產(chǎn)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(shù)配置及風(fēng)速補償，并能實時監(jiān)測及查詢測量記錄，應(yīng)用比較靈活。該超聲波風(fēng)速、風(fēng)向測試儀進入國內(nèi)市場后，必將給市場帶來一定的沖擊。

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