移动式超声波风速风向测量系统

为了解决传统式测风仪器无法应用于航海和应急式车载自动气象站等测风领域的问题,设计了一种移动式超声波风速风向测量系统,其需要解决的问题有：随着载体的移动,基座的方位和速度发生变化,因此,需要在对系统方位和载体速度进行测定的同时,对测量到的风速风向参数进行系统修正。系统包括：利用3对超声波换能器完成三维风速风向测量,通过电子罗盘和系统自带的速度测量单元分

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仪表技术与传感器I sr me t T c n q e a d S n o n tu n e h i u n e s r

2 1 0 1No 1 。0

第 1 0期

移动式超声波风速风向测量系统张自嘉，葛志鑫(南京信息工程大学，江苏南京 20 4 ) 1 04

摘要：了解决传统式测风仪器无法应用于航海和应急式车载自动气象站等测风领域的问题，为设计了一种移动式超

声波风速风向测量系统，需要解决的问题有：着载体的移动，其随基座的方位和速度发生变化，因此，需要在对系统方位和载体速度进行测定的同时，对测量到的风速风向参数进行系统修正。系统包括：用 3对超声波换能器完成三维风速风利向测量，通过电子罗盘和系统自带的速度测量单元分别实现方位和速度测量，通过微处理器实现风速风向的校正及测量数据的传输。

关键词：移动式； c 4; s 2 0超声波； 34风速风向测量中图分类号：4 5 4+5 P2. 文献标识码： A文章编号：0 2—14 (0 1 1 0 6 10 8 1 2 1 )0— 0 9—0 2

M o i ta o i e u i g S se f r W i d Veo i n r c in b l Ul s n cM a rn y t m o n l ct a d Die to e r s yZ N ii, EZ i i HA G ZqaG h- n x

( aj gU iesyo fr t nS i c N ni nvri f no mai c n e& T cn lg, nig2 0 4, hn ) n t I o e eh oo yNa j 10 4 C ia nAb t a t W i d s e d a d dr c in i mp ra t lme to ewe t e, a ia in a d e r e c— p u o t ah r s r c: n p e i t sa i o tn e n ft ah r n v g t me g n y t ea t mai we t e n e o n e h o n y c sain i eme s r me t y tm h t bl i d s e d a d dr c in a er q ie . t t n t a u e n s o h s e t a mo i w n p e n i t l e ur d Whih n e o b d r s e t ev h e e o c e d t e a d e s d i wi t e i s hh ce mo e,h

o i o d s e d o a e i c a g n, d t e n e o a u e i d s e d a d dr c in frta s r t n T i l v s t e p st n a p e fb s s h n i g a h e d f rme s r d w n p e i t r f mai . h s i n n n e o o n o o

p p rd s n da l ao i i d se d a d drcin me s rme ts s m yu igtrep i l a o i￣ s u e au n a e ei e ut sncw n p e i t au e n y t b s he ar ut nc a d c rme sr g g n r n e o e n s r s n iw n p e d d r cin,e l e st n a d v lc t a u e n st ru h t e ee to i o a sa d s e d me s r gd vc, i d s e d a ie t n o r a i d p i o eo i me s r me t h o g l cr n cc mp s n p e a u i e i e z o i n y h n n o l td me r me t d s e d a i t aa c lb ai r miso y mimp o e s r a d c mpe e a u e n fw n p e d dr c in d t a ir t n a d t s s in b c r c s o . s o i n e o o n n a Ke r s mo i; 3 2 4 u t s u d w n e o iya d d r cin y wo d: b l s c 4 0; l a o n; d v l ct n i t e r i e o

0引言

设风速在空间直角坐标系的 3个坐标上投影分量分别为；系统速度 e可看为在平面坐标系下的二维向量。设在坐标原点 (系统速度矢量在二维平面坐标系的坐标原点相 )与

风速风向作为重要的气象要素之一，尤其在航海、应急式车载自气象站等的建设中都需要移动式风速风向测量系统；动另外，在环境检测、工业风道检测以及危险性气体的测量等工业生产和科学研究中都对移动式测风仪器有着广泛的应用需

A O0O和轴正方向上距离原点为 d (,,)的点 B d00各放置 (,,)一

个收发一体式超声波传感器， A点发射的超声波信号被点

求。目前国内外的风速风向测量仪器大多为固定式，

本无法根满足移动式风速风向的测量需求。而且传统式仪器大多采用低位单片机作为微处理器，限制了系统的测量精度，时不仅同

接收，图 1如所示，渡越时间为 t;其 同时，曰点发射的超声波信

号被 A点接收，其渡越时间为 t; A点到点为顺风风向。设从

A

堡 查堡里塑

B

对系统的数据处理速度和通信能力也有一定的约束。文中 J设计了一种移动式超声波风速风向测量系统，在测量出三维风速风向参数的同时，能够对载体的运动速度和方位进行测量， 并能够对测量到的风速风向进行系统校正，实现移动式情从而况下风速风向参数的测量。该系统具有功耗小、精度高、可靠

( t四] 1 3 翠图 1风递风向测量原理图

则从 A点到曰点的风速为=

性高、不受环境影响等特点。1系统的工作原理及系统结构设计方案 1 1系统原理 .

(/l d t)2一C d t—/2/

() 1

式中：为三维风速在坐标的分量； d为相对传感器的距离；

t、为信号的渡越时间；为系统速度在坐标的分量。,t: c 从式 ( ) 1可以看出：只需测出顺风、风条件下的渡越时间逆 t、以及此时系统自身的速度 C。t 和方向参数 0,。即可测出移动情况下的风速沿轴方向的分量 V。同理可测得。这样就 可算得在平面内的自然风速和风向角 0为=

由于超声波在空气中的传播速度和风速风向密切相关，且风速是矢量 j因此其可以分解为空间中相互垂直的 3个分矢，

量。文中从实际需要出发，考虑测量平面内的风速，只并认为平面内风速就是实际风速。

(+ 2 )

() 2

式中为平面内风速。基金项目：江苏省高等学校优势学科建设工程资助项目；京信息工程南大学科研基金资助 (0 8 2 8 2005 )收稿日期： 1— 3 9收修改稿日期： 1— 8 0 2 1 0—1 0 2 1 0~l 0

0 a ( )±0=t n/ l

() 3

式中 0为自然风向角；为系统方向角。

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