超声波风速风向仪设计说明

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超声波风速风向仪设计

1.研究背景及意义

风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。

2.国外研究历史及发展状况

超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。

从国、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管

外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。我国的超声波流量

计设计工作起步比较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，

国产的超声波流量计已经开始批量生产并投入使用。风速测量这一领域，国比较

先进的是华岩仪器设备生产的２Ｄ超声波测风仪，国外比较先进的是意大利Deltaohm公司生产的HD2003超声波测风仪。

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3.超声波风速风向仪介绍

1> 部分产品技术资料及特点简要介绍如下：

型号WS801WS802WS803WS804照片

$

主要优势特点

测量精度高；316

不锈钢固态设计，结构

坚固；防腐蚀；使用寿

命长；无需校准、维护。

探头置，抗雷电干

扰和风雪袭扰，全天候

工作。

探头置且相向设

置，既抗雷电干扰和雨

雪袭扰，又能提高测量

精度。

！

探头置，防护等级

最高，体积最小、性价

比最高、安装使用方便、

参数观察直观。

主要适用场合

气象监测、舰船航行、风力发电、城市与森林消防、环境监测、矿

山开采、铁路桥梁、隧道涵洞及各类石油与天然气钻井作业平台等。

中小型船只、道路

桥梁、隧道涵洞等。

更适合沿海一线

的高山、岛屿，以及舰

船等。

任何场合。

~

风速参数

启动风速0m/s

响应时间<

测量围0～70m/s

精度±s(0～

5m/s)，<±%(5～65m/s)

分辨率s

启动风速0m/s

响应时间<

\

测量围0～70m/s

精度±s(0～

5m/s)，<±1%(5～

70m/s)

分辨率s

启动风速0m/s

响应时间<

测量围0～60m/s

精度±s(0～

5m/s)，<±1%(5～

60m/s)

分辨率s

\

启动风速0m/s

响应时间<

测量围0～50m/s

精度±s(0～

5m/s)，<±3%(5～

50m/s)

分辨率s

风向参数

测量围0～360°(无死角)

精度±1°

#

分辨率°

测量围0～

360°(无死角)

精度±2°

分辨率°

2>产品具体优势与特点如下：

★超声波技术，测量精度高

多个超声波探头在测量空间实时发送、接收超声波信号，确保参数实时高效；严格的单机测试技术确保测量精度高于国同类产品。

★全固态设计，使用寿命长

优势的材料，精密的工艺，全固态设计，使整机无任何转动部件，结构更坚固，能抗海水、盐雾腐蚀，使用寿命长。

★无环境要求，全天候工作

-

仪器置自动温控保护装置，防止极端寒冷条件下冰雪冻结超声波探头造成的测量性能下降，确保仪器可以在任何环境条件下全天候工作。

★一次性校准，终生免维护

仪器在出厂前一次性校准，使用过程中无需任何测试与校准；无需采取任何维护措施。

★无人值守，信息无线传输

仪器可采用配套的太阳能电池板供电；测量信息远程无线传输，远距离后方

监视。无需铺设电缆。可广泛应用于环境恶劣的高山、海岛等无人值守的边远地区。

4.产品应用领域

作为高新技术产品，公司研发生产的系列产品在民用、军用领域市场应用前景广阔。

★民用市场

…

★风力发电

★气象检测

★船舶航海及钻井作业平台

★高速铁路公路网

★航空机场环境监测

★地铁、隧道与矿山开采

★军用市场

★坦克兵、高炮部队

<

★航空兵部队

★海岛、边远地区作战部队

★武警及公安消防部队

5.超声波的产生与传播

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等.我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于

接收.

在本实验中，采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器，它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。

1>压电效应

、

某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。物质的压电效应与其部的结构有关。

2>脉冲超声波的产生及其特点

当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时, 由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。振荡频率与晶片的厚度和声速有关, 适当选择晶片的厚度可以得到超声频率围的弹性波, 即超声波。此种方式发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波。

3>定位原理

利用超声波进行探测的另一个原因是超声探头发射的能量具有较强的指向性。指向性是指超声波探头发射声束扩散角的大小。扩散角越小，则指向性越好，对目标定位的准确性越高。在固体材料的尺寸测量、无损检测、超声诊断、潜艇导航等超声应用中，都利用了超声波的这一特点。

6.超声波风速风向仪的工作原理

超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。

#

7.超声换能器

声波的发射和接收是通过换能器来完成的。换能器是一种可以把一种形式的能量转换为另一种形式的能量的器件，而超声换能器是一种将超声能转换成电能、机械能或其他一些形式的能量的器件。目前较为常用超声波换能器是压电式超声波换能器。压电效应天然地存在于某些具有极轴的单晶体中。当把具有压电特性的某种晶体材料切割成圆片状或者方片状，并在这两个平面上涂上金属薄膜作为电极，若有机械压力压在涂有电极的表面上时，则会在两个电极面上分别引起等量异号的电荷，因而两电极间会生成一个可观测的电压，这是正向压电效应。当在两个电极上施加一电压，使之在晶体形成一个电场时，就会得到反向压电效应，此时晶体将承受一机械应变。本系统采用市场上常见的频率为４０ＫＨｚ压电瓷换能器，完成超声波声能与电能之间的相互转换口。压电瓷换能器具有机电转换率高、容易成型、造价低廉等优点，而且通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声波换能器，如发射型、接收型和收发一体型。

8.超声波风速测量的实现方法

采用超声波进行气体流速测量可以采用三种形式：时差法、多普勒法和涡街风速测量法，此系统仅通过时差法来测量。

1>时差法风速测量的基本原理

设南北（或东西）两超声波收发器的距离为d,顺风传输时间为t12,逆风传输时间为t21，风速为V（南北为Vx，东西为Vy）

、

超声波传播速度为C ，有

d t 12

=C+Vx d t 21

=C-Vx Vx=d 2 (1t 12 - 1t 21

) 同理可求得Vy,进而得出风速V ，风向。由三角合成计算得出：

风速为：Vxy=22Vx Vy +

\

风向为：θ=arctan

x y

V V 该法对于窄带的超声波信号，消除了声速C 的影响，被测风速只与顺，逆流传播时间有关系，因而只要测得t12和t21，便可以求得当前被测风速，风向，基本上消除了温度等影响。

2>传感器配置方案

为了使得超声波测量发挥最好的效果，选择一种好的传感器配置方法对有效降低环境因素的负面影响，提高超声波风速测量的可靠性具有重要的意义。本设计针对三种不同的传感器配置方案进行了对比试验，参与试验配置方案如下

方案1：交叉法

交叉法采用了四个RT（收发一体）超声波传感器探头，分别AC，BD两组，基于相位差方法的测量原理是在某一时刻，各组中分别有一只探头发射超声波，另一只探头接收信号，下一时刻各组探头功能装换。这样处理器可以获得2*2个接收数据，通过对这4组数据的处理可以获得风速风向值。

方案2：反射法

：

反射式配置方案包括两个探头极板，一个极板上安装三个RT（配置成等边三角形探头组），三个RT探头传感面保证在一个平面上，此平面平行于反射极板。三个探头轮流收发，在任意时刻，保证探头组中有一只传感器发射超声波，其余两只传感器接收信号，三只传感器轮换发射一周，可获得三组接收数据，通过计算和处理，可获得风速风向值。反射板的加入，能够使得超声波传播声程加大，利于提高测量精度。

方案3：三角配置

平面三角配置方案，将三个RT探头置于等边三角形的三个顶角，仍使用三探头轮流收发方法，获得三组测量值之后经过计算处理得到最终风速风向值。三角形边长可以做到10cm以，传感器组及测量仪器电路板面积不大，这使得测量系统整体结构尺寸能够做的比较小，便于安装。

9.超声波发射接收电路

本系统采用频率为40KHz，收发一体的超声波换能器收发超声波信号，因此设计一套收发一体的超声波收发电路。

1>超声波发射电路

超声波发射电路由振荡电路，驱动电路及超声波换能器组成。超声波换能器选用收发一体式，系统共用四个超声波换能器，垂直相向而放，一个超声波换能器配一套振荡电路。四套振荡电路共用一套驱动电路。分别用于顺时，逆时发射超声波信号。

2>驱动电路

%

超声波信号经过传播之后能量被衰减，接收电路只能接收到幅度很小的电压信号。同时超声波换能器在产生超声波时需要一个较高的瞬时脉冲电压，因此为了准确识别接收信号，需要升压电路来驱动超声波换能器。本系统中采用AD公司的微功耗升压/降压开关稳压器ADP1111来实现升压，ADP1111需要的外围器件极少，能实现升压，降压，反向模式，电压输入围为+2~+30V,输出电压，电流均可调，输出电压由R6，R7构成的反馈网络调节，其计算公式为：V0=（1+R7/R6)。为了能得到适当幅度大小的超声波接收信号，R7采用47KΩ的可变电阻器，令R6位1KΩ，通过调节R7的大小可产生最高60V的高压。

3>振荡电路

当超声换能器外加等于压电晶片固有振荡频率的脉冲时，压电晶片将会发生共振，产生超声波。超声换能器具有谐振特性，即使向发射端输入频率与谐振频率相同的任意波形，接收端输出的也是正弦波，因此本振荡电路采用方波驱动。利于单片机产生输出40KHz的方波信号，当发射完8个脉冲后，禁止单片机信号输出，超声波经过各个超声波换能器交叉发射超声波，交叉开关将模块0~3分配给I/O口~，控制四路超声波的发射与否，各路高低电平的控制由两个场效应管（NM0S，PMOS）组成的模拟开关的开合决定。

ADP111产生的高压通过场效应管的通段来产生高压脉冲信号，驱动换能器发出超声波脉冲，系统选取低功耗，耐高压，输入阻大的高速NMOS和PMOS作为模拟开关。Q2的栅极为低电平时，Q2截止，Q1的Vgs接近零电压，Q1截止输出低电平。因此，超声波换能器因受到40KHz的脉冲电压而产生逆变电压效应，发射40KHz 的超声波。

本系统为超声波收发一体式电路，在超声波发射时为防止发射电压倒灌入接

收回路中，在街上回路的接收端之前正，反接入两个二极管，以起到限压保护作用。

4>超声波接收电路

>

超声波的接收是本系统的重要部分，它关系到测量数据的准确性。因而无论顺风，逆风，同一时刻只有一路超声波发射信号，一路超声波接收信号，故四个超声波换能器通过双四选一多路模拟选择开关CD4052共用一套接收电路，接收电路包括四选一多路模拟开关，带通滤波器，电压比较器。

5>模拟选择开关

CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，具有二进制控制输入端A,B和一个禁止输入EN，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流，当EN输入端为“0”时，A,B的四种二进制组合状态用来在四对通道中选择其中的一对，可连接该输入至输出，当EN输入端=“1”时，所以通道截止。

本系统利用CD4052实现了令四路超声波发射电路复用一路接收电路，四个超声波接收信号输入端分别与CD4052的Y0，Y1，Y2，Y3通道连接，接收电路与CD4052的公共Y通道相连，与EN相连，用来决定开启/关闭接收电路，此接法可以只有在有效时间开启接收电路，减少噪声的干扰机会，单片机的，与A,B相连，用来选择通道。要接收哪路信号，只需要设置A,B值打开相应通道开关即可，而不需要其他软件操作。

本系统中超声波的发射频率为40KHz，相距，则超声波的传播时间最短（按15℃下，风速为0，声速340m/s计算）为294us，延时一个周期25us可造成s的偏差，即使lus的测量误差也会产生的误差。由此可见，传播时间差对风速的影响是非常大的。

)

6>超声波的放大整形

超声波换能器的发射信号不太稳定，且经过空气的传播后，能量被大幅度衰减，接收电路只能接收到幅度很小的电压信号，为了提高接收信号的信噪比，不至于使电路产生热噪声或者外加噪音淹没微弱的超声信号，需要设计带通滤波放大电路。

超声波滤波电路设计有两种方法：

（1）利用专门的超声滤波集成电路，其结构简单，运用方便，但参数固定，只能作为一种通过的超声波滤波放大电路，不能利于调试。

（2）利用运算放大器自行设计有源带通滤波器，这种方法可以满足有特殊要求的设计。

集成超声滤波电路可以采用CX20106A（仅限于40KHz超声滤波整形。）放大整形电路如下图：

、

CX20106A部逻辑方块图如下：

由于本设计基于超声波测风模拟可行性试验，故先采用成本较低的40KHz的方案，后期会选用200KHz高精度要求的电路设计方案。

10.减少风速风向测量误差可以从以下几个方面考虑：

①增加超声波换能器之间的距离d可显著减小测量误差，但是距离d的大小受到超声波换能器发射功率限制，距离过大接收电路就会检测不到超声波信号，而且传感器的体积也会变得很大。所以换能器之间的距离大小要综合考虑。

②通过判断超声波接收信号到达时间是否在230us到410us围，可以判断超声波在到达时间上是否存在误判，以此来消除其他因素引起的偶热误差（如飞虫，沙尘等）的可能性。

③每次传播时间差都进行16次测量，根据数据的密度选择出最准确的测量值，不仅进一步降低了传播时间的误差，而且极大降低了由于外界噪音造成的误判几率。

④采用性能更为优良的电路元件或者更换更为精密的电路来保证电路延时的稳定性，以减少测量误差。

⑤对于有规律的系统误差，反复试验与实际风速对比，得出规律，最后在风速风向的计算中进行补偿。

注：

1：本设计暂时用到40KHz超声波换能器来初步设计模拟超声波风速测量系统的可行性，（40KHz的超声波换能器售价低廉，如下图左，收发端对于电路精度及器件相对要求不高）。

2:通过了40KHz超声波原理可行性模拟的实验后即可转到更要精度的超声波风速仪测试，这里就需要更高要求的200KHz的超声波换能器（如下图右），和精度较高的器件。

3:本设计难点在于我国市场上目前对于超声波的技术还不成熟，目前这方面资料少，对于超声波发射接收电路需要开发人员自行设计，特别是对接收电路精度要求比较高。

40KHz超声换能器 200KHz超声换能器

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/52uq.html