超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀原理

在測風(fēng)的各種儀器中，風(fēng)杯風(fēng)速計由于成本較低，使用方便，是使用歷史常用的一種儀器。但同時也存在著不少問題，如這些機(jī)械裝置因具有移動部件而易磨損、體積較大、需要經(jīng)常維護(hù)，且儀器支架和安裝支架對測量精度有著很大的影響。其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可能受到惡劣天氣的損害，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀還存在啟動風(fēng)速，低于啟動值的風(fēng)速將不能驅(qū)動螺旋槳或者風(fēng)杯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，無法進(jìn)行測量。

隨著發(fā)展，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀走進(jìn)大眾視野。它采用固態(tài)設(shè)計，利用超聲波在空氣中傳播速度受風(fēng)的影響來測量風(fēng)速，克服了機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀的一些缺點，不存在機(jī)械磨損、阻塞、冰凍等問題，也沒有“機(jī)械慣性”，理論上可以測量的風(fēng)速范圍下限為零，不存在啟動風(fēng)速；風(fēng)速上限可以分局傳感器間距進(jìn)行調(diào)整。

在空氣中，聲波的傳播速度被在風(fēng)方向上的空氣流動所改變。如果風(fēng)向和聲波的傳播方向相同，就會提高聲波的傳播速度，反之則會減少聲波的速度。在一個固定的測量路徑中，在不同的風(fēng)速和風(fēng)向上疊加而成的聲波傳播速度會導(dǎo)致不同的聲波傳播時間。因而可以通過風(fēng)速風(fēng)量對超聲脈沖在固定路徑上兩個方向的輸送時間差進(jìn)行風(fēng)速測量。

利用超聲波測量風(fēng)速風(fēng)向，其核心在于測量超聲波在空氣中傳播的時間，即所謂的飛渡時間。超聲波從一個探頭傳送到另一個探頭所需要的的時間是與風(fēng)速以及超聲通路有關(guān)。順風(fēng)將使超聲信號傳播時間遞增，逆風(fēng)將會使之遞減。如果風(fēng)速為零，信號雙向的傳輸時間相等。如果在兩個不相干方向上同時測量風(fēng)速，就可以通過三角學(xué)合成計算出風(fēng)速以及風(fēng)向。依次原理，超聲波風(fēng)速儀可僅僅使用三個探頭即可確定平面中的風(fēng)速分向。但是在實際設(shè)計中，由于涉及到信號強(qiáng)弱的問題，使用四個探頭的設(shè)計也較常見。

對于特定風(fēng)向傳播（如東西方向或南北方向），可選用一堆收發(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(dá)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。

一般，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀包含三個發(fā)送和接收一體的超聲波傳感器，實現(xiàn)三維空間內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向的測量。測試儀具有環(huán)境溫度測試單元，由此測量并補(bǔ)償環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響。超聲波在空氣中傳播時，順風(fēng)與逆風(fēng)方向傳播的時間差與待測風(fēng)速具有線性關(guān)系。

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。

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(jī)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(jìn)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(jī)。

超聲波收發(fā)控制模塊：選擇當(dāng)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。

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)。

RS485：用于與計算機(jī)通信，便于用戶實時監(jiān)測、獲取及修改設(shè)備參數(shù)

AD與測溫電路：用于測量超聲波傳感器探頭表面溫度。

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。