一种三维超声波风速风向检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种风速风向检测系统，特别涉及一种三维超声波风速风向检测 系统。
【背景技术】
[0002] 目前，与传统的机械式风速风向仪相比较，超声波测风系统的优势有：无启动风 速限制，环境适应能力强，可适应全天侯天气，没有机械磨损、不易腐蚀，使用寿命长、精度 高、智能化、高可靠性，安装简单、维护及校正简便等；其不仅可以满足军事领域的气象测风 需求，而且在民用上也有很多的用途，例如在气候气象、城市环境监测、风力发电气象监测、 桥梁隧道、汽车高速公路、航海船舶和航空机场等方面有相当好的应用前景，另外也可以作 为一个小型的气象站，应用前景非常广泛。
[0003] 现有的超声波测风系统，大多只能测量平面二维的风速风向，比较典型的有中国 专利"超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法（【申请号】200810101288. 6)"所 提出的四臂、二维超声波风速仪，和中国专利"反射式超声波风速风向仪及其测量方法（申 请号：201110175615. 4)"所提出的反射式超声波风速风向仪；中国专利"超声波三维测风 方法和三维超声波风速风向仪（【申请号】201110123546. 2) "、中国专利"一种风电场三维超 声波风速温度检测系统及其测量方法（【申请号】201310081265. 4)"和中国专利"一种风电 场超声波风速检测方法及装置（【申请号】201310081679. 7) "采用了不同的结构或方法以获 取三维风速风向，但普遍存在着结构复杂的问题，不利于成本的控制和产品的推广。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的是为了解决现有的三维超声波测风系统结构复杂，不利于成本 的控制和产品推广的问题而提供的一种三维超声波风速风向检测系统。
[0005] 本实用新型提供的三维超声波风速风向检测系统包括有安装座、数个测量臂、与 测量臂相应数量的超声波探头和控制及处理电路板，其中一个测量臂固定在安装座顶面的 中心部位，其余测量臂围设在安装座顶面的周圈，超声波探头设在测量臂的顶端，控制及处 理电路板设在安装座内，控制及处理电路板与超声波探头连接并控制超声波探头的工作。
[0006] 测量臂设有四个，围设在安装座顶面周圈的测量臂设有三个，安装座顶面周圈的 相邻测量臂之间的夹角为120°，安装座顶面周圈的三个测量臂顶端的超声波探头处于同 一水平面。
[0007] 控制及处理电路板为印刷电路板，用于控制和驱动各超声波探头的接收和发送， 以及对接收信号进行处理，得到风速和风向信息，控制及处理电路板包括：与超声波探头对 应数量的收发模块、模拟开关模块、放大滤波模块、信号截取模块、包络提取模块、滞回比较 模块、控制及数据处理模块和通信接口，其中各收发模块与对应的超声波探头连接，用于驱 动超声波探头发出超声波和接收空间中的超声波信号，并将该超声波收发信号转化为电信 号，收发模块的控制信号由控制及数据处理模块给出，各收发模块的输出端分别与模拟开 关模块的输入端连接，模拟开关模块的控制信号由控制及数据处理模块给出，模拟开关模 块的输出端与放大滤波模块连接，通过控制及数据处理模块的控制，模拟开关模块将发射 信号和需要的接收信号传递给放大滤波模块，阻止不需要的信号通过；放大滤波模块对模 拟开关模块的输出信号进行放大和滤波，放大滤波模块的输出端与信号截取模块连接，信 号截取模块截取放大滤波模块输出的信号轴线以上的信号，并传递给包络提取模块，包络 提取模块对信号截取模块的输出信号进行包络提取，并将其翻转到轴线下方，包络提取模 块的输出端与滞回比较模块的输入端连接，滞回比较模块通过一个滞回比较器将包络提取 模块的信号转化为两个脉冲，并传递给控制及数据处理模块，控制及数据处理模块控制系 统的运行、对接收数据进行处理得到风速风向和通过串行通信接口与外部仪器仪表进行通 信，其核心是一块微处理器；通信接口与控制及数据处理模块中微处理器的串行通信口连 接，通信接口为RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
[0008] 本实用新型提供的三维超声波风速风向的测量方法，其具体方法如下所述：
[0009] 第一步、系统上电后，控制及数据处理模块对各模块进行初始化，然后依次驱动安 装座顶面周圈的超声波探头发出十个脉冲的超声波信号，此时通过模拟开关模块选通安装 座顶面中心部位的超声波探头作为接收探头，该超声波探头将接收到的超声波信号转化为 电信号，该电信号和发射信号经过模拟开关模块、放大滤波模块、信号截取模块、包络提取 模块、滞回比较模块后进入控制及数据处理模块的捕获引脚，通过处理器的捕获功能分别 测得滞回比较模块输出的两个脉冲下降沿之间的时间差得到超声波从安装座顶面周圈的 超声波探头到安装座顶面中心部位的超声波探头的传递时间tl、t2、t3 ;然后三次驱动安 装座顶面中心部位的超声波探头发出十个脉冲的超声波信号，分别选通安装座顶面周圈的 超声波探头作为接收探头，得到超声波从安装座顶面周圈的超声波探头到安装座顶面中心 部位的超声波探头的传递时间t4、t5、t6 ;
[0010] 第二步、根据传递时间tl和t4采用间接时差法可得到风速沿安装座顶面周圈的 第一个超声波探头与安装座顶面中心部位的超声波探头方向上的风速分量VI，间接时差法 的原理如下：
[0011] 设声速为C，风速分量Vl指向安装座顶面周圈的第一个超声波探头，则超声波从 安装座顶面中心部位的超声波探头传播到安装座顶面周圈的任一超声波探头为顺风，此 时，超声波的传播速度为：
[0012] Vs24s2I= C+V1
[0013] 设上述两个超声波探头间的距离为d，则超声波的传播时间为：
[0014]
【主权项】
1. 一种三维超声波风速风向检测系统，其特征在于：包括有安装座、数个测量臂、与测 量臂相应数量的超声波探头和控制及处理电路板，其中一个测量臂固定在安装座顶面的中 心部位，其余测量臂围设在安装座顶面的周圈，超声波探头设在测量臂的顶端，控制及处理 电路板设在安装座内，控制及处理电路板与超声波探头连接并控制超声波探头的工作。
2. 根据权利要求1所述的一种三维超声波风速风向检测系统，其特征在于：所述的测 量臂设有四个，围设在安装座顶面周圈的测量臂设有三个，安装座顶面周圈的相邻测量臂 之间的夹角为120°，安装座顶面周圈的三个测量臂顶端的超声波探头处于同一水平面。
3. 根据权利要求1所述的一种三维超声波风速风向检测系统，其特征在于：所述的控 制及处理电路板为印刷电路板，用于控制和驱动各超声波探头的接收和发送，以及对接收 信号进行处理，得到风速和风向信息，控制及处理电路板包括：与超声波探头对应数量的收 发模块、模拟开关模块、放大滤波模块、信号截取模块、包络提取模块、滞回比较模块、控制 及数据处理模块和通信接口，其中各收发模块与对应的超声波探头连接，用于驱动超声波 探头发出超声波和接收空间中的超声波信号，并将该超声波收发信号转化为电信号，收发 模块的控制信号由控制及数据处理模块给出，各收发模块的输出端分别与模拟开关模块的 输入端连接，模拟开关模块的控制信号由控制及数据处理模块给出，模拟开关模块的输出 端与放大滤波模块连接，通过控制及数据处理模块的控制，模拟开关模块将发射信号和需 要的接收信号传递给放大滤波模块，阻止不需要的信号通过；放大滤波模块对模拟开关模 块的输出信号进行放大和滤波，放大滤波模块的输出端与信号截取模块连接，信号截取模 块截取放大滤波模块输出的信号轴线以上的信号，并传递给包络提取模块，包络提取模块 对信号截取模块的输出信号进行包络提取，并将其翻转到轴线下方，包络提取模块的输出 端与滞回比较模块的输入端连接，滞回比较模块通过一个滞回比较器将包络提取模块的信 号转化为两个脉冲，并传递给控制及数据处理模块，控制及数据处理模块控制系统的运行、 对接收数据进行处理得到风速风向和通过串行通信接口与外部仪器仪表进行通信，其核心 是一块微处理器；通信接口与控制及数据处理模块中微处理器的串行通信口连接，通信接 口为RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
【专利摘要】本实用新型公开了一种三维超声波风速风向检测系统，包括有安装座、数个测量臂、与测量臂相应数量的超声波探头和控制及处理电路板，其中一个测量臂固定在安装座顶面的中心部位，其余测量臂围设在安装座顶面的周圈，超声波探头设在测量臂的顶端，控制及处理电路板设在安装座内，控制及处理电路板与超声波探头连接并控制超声波探头的工作。测量方法如下所述：第一步、控制及数据处理模块对各模块进行初始化；第二步、根据传递时间t1和t4采用间接时差法可得风速分量V1；第三步、得到三维的风速值和风向值；第四步、得到实时的三维风速和风向；有益效果：接收信号稳定；大大降低了仪器成本；测量精度高，实时性好。
【IPC分类】G01P5-24, G01P13-02
【公开号】CN204347060
【申请号】CN201520057657
【发明人】朱兰香, 梁亮, 常大俊, 龚大龙, 王金环, 崔立波, 贾友波, 董劲峰, 王皓, 石要武
【申请人】长春建筑学院, 吉林大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月27日