一种基于超声波换能器的测风系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种于基于超声波换能器的测风系统，包括超声波换能器测风装置、信息控制箱、温湿度采集模块、LED显示器、SD卡、时钟模块和PC接收监测终端。所述的超声波换能器测风装置由超声波换能器阵列、主壳体、顶盖、柱臂、超声波换能器安装固定接头和连接臂组成；超声波换能器设置在柱臂内，组成超声波换能器阵列实现对风速风向的监测。温湿度传感器采集外部环境数据，用于测风系统的误差补偿，提高测风精度。超声波测风系统所测得数据存储在信息采集箱内可以通过LCD显示查验记录，并通过GPRS模块发送到PC终端，实现远程监测。本实用新型设计的测风系统提高了测风精度，实用性强，应用前景广阔。
【专利说明】
-种基于超声波换能器的测风系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于气象要素风的测量领域，具体设及一种于基于超声波换能器的测 风系统。
【背景技术】
[0002] 风是由空气流动引起的一种自然现象，也是重要的气象要素，本身蕴含着丰富的 能量，是宝贵的可再生资源。风对人类的生产生活有着巨大的影响，如风力发电，航海航空， 环境监测，风力灾害预警，军事活动等。
[0003] 目前，国内风速风向测量方法主要为机械式，在机械转动的过程中，由于机械部件 之间会产生摩擦，引入启动风速的问题。当风场的风速很小时，风杯不会出现灵敏的转动， 甚至不转动，导致无法准确测量此时的风速值。机械式测风方式大多应用在开放式外部环 境，气候条件复杂，测量的机械部件很容易遭受到不同程度的损坏和腐蚀。
[0004] 超声波测风损耗小，范围广，响应快，精度高，易于安装。能够克服机械测风迟滞、 盲区和精度低等缺陷，本实用新型采用全新换能器阵列结构并采用全新环境补偿算法减小 现有超声波测风仪器广泛易受空气的端流影响和环境干扰，提高测量精度。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于超声波换能器的测风系统，该系统 是针对当前一些测风系统的改进和完善。
[0006] 为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为:一种基于超声波换能器的 测风系统，包括超声波换能器测风装置、信息控制箱、溫湿度采集模块、L邸显示器、SD卡、时 钟模块和PC接收监测终端.
[0007] 所述的超声波换能器测风装置由超声波换能器阵列、主壳体、顶盖、柱臂、超声波 换能器安装固定接头和连接臂组成;所述的超声波换能器阵列通过超声波换能器安装固定 接头安装于柱臂的顶部;所述的柱臂安装于主壳体上，主壳体顶部设置有顶盖，主壳体内设 置有测风控制电路;主壳体的底部设置有用于与外部结构连接固定的连接臂；
[000引所述的信息控制箱接收超声波换能器测风装置、溫湿度采集模块W及时钟模块发 送的风速风向数据、溫湿度数据W及时间数据，并将接收到的信息发送到PC监测终端并存 储在SD卡中；LCD显示器用于查看SD卡中的数据。
[0009] 进一步地，所述的超声波换能器阵列由六个超声波换能器组成，六个超声波换能 器组成Ξ个对射组，每个柱臂的顶部安装两个超声波换能器探头。
[0010] 进一步地，Ξ个所述的对射组排列成等边Ξ角形结构，且有一对射组沿正北方向 设置。
[0011] 进一步地，每一对射组中两个超声波换能器间夹角为60°，间距为250mm。
[0012] 进一步地，所述的超声波换能器的晶片为圆形，直径为10mm，超声波换能器为收发 一体。
[0013] 进一步地，所述的柱臂为不诱钢圆柱形结构。
[0014] 进一步地，所述的顶盖上有指北方向标和数字指南针。
[0015] 进一步地，所述的测风电路设置数据通讯接口，信息控制箱通过数据通讯接口与 测风电路通讯。
[0016] 进一步地，所述的测风电路设置扩展口，扩展口用于测风电路升级调试、二次开 发。
[0017] 进一步地，所述的信息控制箱通过GPRS模块将数据发送到PC监测终端。
[0018] 本实用新型的有益效果：
[0019] 1)本实用新型采用6个超声波换能器组成一个新的阵列，减小风速、风向测量时因 空气流体带来的端流干扰，提高测量精度；
[0020] 2)溫度、湿度、气压等环境因素的变化会影响测风仪器的性能，本实用新型借助支 持向量机(SVM)强大的非线性回归能力，建立溫度、湿度等环境参数同测风的非线性关系， 减小环境因素带来的误差；
[0021] 3)测风系统将测得数据、当前时间，通过GPRS模块与PC监测终端通讯，实现人机交 互，并将数据保存到SD卡中，此外工作人员可W到现场调出SD卡数据，通过LCD显示电路查 看记录；
[0022] 4)本新型超声波测风系统，可单独作为测风设备实用，也可配置于自动气象站联 合使用。
【附图说明】
[0023] 图1是超声波测风系统结构原理图。
[0024] 图2是超声波换能器阵列俯视图。
[0025] 图3是超声波换能器阵列底视图。
[00%]图4是测风系统的环境补偿模型。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本实用新型的技术方案作详细说明。
[0028] 如图1-3所示为本实用新型的一种基于超声波换能器的测风系统，包括超声波换 能器测风装置、信息控制箱10、溫湿度采集模块11、L抓显示器12、SD卡15、时钟模块13和PC 接收监测终端14。
[0029] 超声波换能器测风装置为由六个超声波换能器(换能器A~换能器F(16~21))组 成的超声波换能器阵列、主壳体8、顶盖7、3个柱臂(柱臂A~柱臂C(4~6))、超声波换能器安 装固定接头(超声波换能器安装固定接头A~超声波换能器安装固定接头C(1~3))和连接 臂9组成;超声波换能器阵列通过超声波换能器安装固定接头（1、2、3)安装于柱臂(4、5、6) 的顶部;柱臂(4、5、6)安装于主壳体8上，主壳体8顶部设置有顶盖7,顶盖7上有指北方向标 23和数字指南针22，用于指导设备安装；主壳体8内设置有测风控制电路;测风电路设置数 据通讯接口 24和扩展口 25,信息控制箱10通过数据通讯接口 24与测风电路通讯，扩展口 25 用于测风电路升级调试、二次开发;主壳体8的底部设置有用于与外部结构连接固定的连接 臂9。
[0030] 信息控制箱10接收超声波换能器测风装置、溫湿度采集模块11W及时钟模块13发 送的风速风向数据、溫湿度数据W及时间数据，并将接收到的信息通过GPRS模块发送到PC 监测终端并存储在SD卡中；LCD显示器12用于查看SD卡15中的数据。
[0031] 在本实施方式中，六个超声波换能器两两为一对射组，每个柱臂的顶部安装一对 射组，Ξ个对射组排列成等边Ξ角形结构，且有一对射组沿正北方向设置，而且每一对射组 中两个超声波换能器间夹角为60°，间距为250mm。
[0032] 在本实施方式中，换能器（16、17、18、19、20、21)的晶片为圆形，直径为1〇111111，换能 器(16、17、18、19、20、21)为收发一体。
[0033] 在本实施方式中，柱臂(4、5、6)为不诱钢圆柱形结构。
[0034] 超声波换能器阵列工作原理：
[0035] W图1、图2为例，某一组超声波对射换能器在工作状态，其余两组均处于空闲状 态。
[0036] 1.在第一条指令周期，换能器17发射信号，换能器18接收信号，换能器19~换能器 21及换能器16工作在空闲状态，测得时间为ti2。
[0037] 2.在第二条指令周期，换能器18发射信号，换能器17接收信号，换能器19~换能器 21及换能器16工作在空闲状态，测得时间为t2i。
[0038] 3.在第一条指令周期，换能器19发射信号，换能器20接收信号，换能器21，换能器 16~换能器18工作在空闲状态，测得时间为t23。
[0039] 4.在第一条指令周期，换能器20发射信号，换能器19接收信号，换能器21，换能器 16~换能器18工作在空闲状态，测得时间为t32。
[0040] 5.在第一条指令周期，换能器21发射信号，换能器16接收信号，换能器17~换能器 20工作在空闲状态，测得时间为t3i。
[0041 ] 6.在第一条指令周期，换能器16发射信号，换能器21接收信号，换能器17~换能器 20工作在空闲状态，测得时间为ti3。
[0042] 测风原理如下，设V风为测得风速，Θ为测得风向角，L为对射换能器间距。将实际空 气流体进入超声波换能器能器阵列分为Ξ种情况：
[0043] 1.风向与某一换能器对射组垂直，此时该组受端流影响最小。
[0044] 2.风向与某一换能器对射组平行，此时该组受端流影响最大。
[0045] 3.风向与某一换能器对射组存在一夹角，该组换能器受到空气流体端流影响较 大。
[0046] 分析V风在Ξ个边上的投影，结合Ξ组对射换能器测得渡越时间，除去一组受端流 影响最大的时间值，运里假设换能器17,18受端流影响最大，则舍弃ti2和t2i，可计算得出最 终风速风向值。 Γ 00471 由公古
[0050]设公式(1)等号右边为M，公式(2)等号右边为Q，得
[0054] 由于测风系统总是暴露在空气当中，溫度、湿度、气压等环境因素的变化会影响测 风仪器的性能，使得测量值出现一定的偏差。针对超声波测风系统的运种非线性影响，本实 用新型采用软件补偿的方法提高测风系统的精度和稳定性。借助支持向量机(SVM)强大的 非线性回归能力，建立溫度、湿度等环境参数同测风的非线性关系，超声波测风模型为：
[0055] y = f(xi,ti,t2, . . . ,tk) (5)
[0056] 式中X为信号输入，ti，t2, . . .，tk为k个非目标参量，y为测风系统输出。式(5)的反 函数可W用支持向量机来逼近其非线性函数关系，W消除其他环境参数的影响，其支持向 量的补偿模型如图4所示。
[0057] 基于VC维和结构风险最小化原理，结合Vapnik结构风险最小化原则，找到一个满 足分类要求的最优分类超平面，将低维特征空间的非线性问题转化为为高维特征空间线性 回归问题，得到回归函数：
[0化引.巧去）=货..科知）+奋 （.台）
[0化9]其中b为阔值，0为非线性映射，结合Vapnik结构风险最小化原则，考虑到函数的 复杂度和拟合误差，引入风险函数R(w)，将其转化为最小化泛函：
[0062] 式中ΙΜΙ2描述线性函数的复杂度，C>0为惩罚系数，ξι，茲是松弛变量，ε为不敏 感系数。为了解决上述二次规划问题，引入拉格朗日函数转化成对偶问题，设曰1，ai为拉格 朗日乘子和对偶变量，相应的拉格朗日函数为：
[0063]
餅
[0064] 利用满足Mercer条件的核函数Κ(χ，χι)，将低维非线性回归转化成高维线性回归 问题，得到了最终决策函数：
[0065]
(10)
[0066] 泛化能力是衡量补偿模型的关键指标，SVM的泛化性能主要跟惩罚系数C与核函数 参数σ有关，粒子群优化算法(PS0)初始化为一群随机粒子(随机解）。每个粒子代表极值优 化问题的潜在最优解，通过迭代寻找最优解，每次迭代通过跟踪个体极值和全局极值来更 新个体位置，每个位置代表问题的一个潜在解。在每一次迭代过程中，粒子通过个体极值和 全局极值更新自身的速度和位置，将其用于SVM的参数寻优，提高了 PS0的收敛速度及精度， 同时解决了SVM参数选择的盲目性，建立超声波测风系统的环境补偿模型，通过实验验证其 在测风补偿上的有效性，并通过与其他方法对比显示了其优越性。
[0067] W上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还 会有各种变化和改进，运些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型 要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1. 一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:包括超声波换能器测风装置、信息 控制箱、温湿度采集模块、LED显示器、SD卡、时钟模块和PC接收监测终端； 所述的超声波换能器测风装置由超声波换能器阵列、主壳体、顶盖、柱臂、超声波换能 器安装固定接头和连接臂组成;所述的超声波换能器阵列通过超声波换能器安装固定接头 安装于柱臂的顶部;所述的柱臂安装于主壳体上，主壳体顶部设置有顶盖，主壳体内设置有 测风控制电路;主壳体的底部设置有用于与外部结构连接固定的连接臂； 所述的信息控制箱接收超声波换能器测风装置、温湿度采集模块以及时钟模块发送的 风速风向数据、温湿度数据以及时间数据，并将接收到的信息发送到PC监测终端并存储在 SD卡中；IXD显示器用于查看SD卡中的数据。2. 根据权利要求1所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:所述的超声 波换能器阵列由六个超声波换能器组成，六个超声波换能器组成三个对射组，每个柱臂的 顶部安装两个超声波换能器探头。3. 根据权利要求2所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:三个所述的 对射组排列成等边三角形结构，且有一对射组沿正北方向设置。4. 根据权利要求2所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:每一对射组 中两个超声波换能器间夹角为60°，间距为250mm。5. 根据权利要求2所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:所述的超声 波换能器的晶片为圆形，直径为1〇_，超声波换能器为收发一体。6. 根据权利要求1所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:所述的柱臂 为不锈钢圆柱形结构。7. 根据权利要求1所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:所述的顶盖 上有指北方向标和数字指南针。8. 根据权利要求1所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:所述的测风 电路设置数据通讯接口，信息控制箱通过数据通讯接口与测风电路通讯。9. 根据权利要求1所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:所述的测风 电路设置扩展口，扩展口用于测风电路升级调试、二次开发。10. 根据权利要求1所述的一种基于超声波换能器的测风系统，其特征在于:所述的信 息控制箱通过GPRS模块将数据发送到PC监测终端。
【文档编号】G08C17/02GK205483056SQ201620102289
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月1日
【发明人】行鸿彦, 魏佳佳
【申请人】南京信息工程大学