[发明专利]一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法

摘要

本发明公开了一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法，风速风向仪包括控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元和气压补偿单元；风速风向测量单元由超声波发射器、超声波接收器和计时器模块组成；方向校准单元由数字罗盘和磁敏二极管组成；温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成；气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成。本发明采用一个一体化超声波传感器发射并接收其中一路回波信号，四个接收传感器接收反射回波信号，五个传感器被安排在同一水平面上，只利用一次发射、接收的时间差即可计算出风速风向，且测量原理简单，提升了测量精度，延长了仪器的使用寿命，并且适用于各种恶劣的测量环境。

主权项

一种二维反射式超声波风速风向仪，其特征在于包括：控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元、气压补偿单元、机壳及立柱；风速风向测量单元，包括超声波发射器、超声波接收器和计时器模块，控制单元输出具有一定占空比的方波信号至风速风向测量单元，控制超声波发射器发射超声波信号；风速风向测量单元将超声波回波信号经过滤波、放大、比较处理后得到方波信号，并将其送至控制单元，超声波发射器与超声波接收器相连，超声波接收器与计时器相连；超声波发射器，用于发射超声波信号以进行风速风向的测量，它由方波信号发生电路、超声波驱动电路和超声波传感器组成；方波信号发生电路产生用于驱动超声波传感器工作所需的间隔方波信号；超声波驱动电路用于驱动超声波传感器发射超声波信号；超声波传感器为一体化超声波发射传感器，即一体化探头，发射超声波并接收一路超声波回波信号；超声波接收器，用于接收超声波回波信号以进行后续处理，它包括四个超声波接收传感器、四路钳位保护电路和四路超声波回波信号处理电路；四个超声波接收传感器为非一体化探头，接收反射超声波回波信号；四路钳位保护电路实现对超声波驱动电路和超声波回波信号处理电路的隔离；四路超声波回波信号处理电路用于对超声波回波信号进行处理，使处理后的超声波回波信号成为控制单元能够处理的信号；计时器模块，利用控制单元的计时功能实现，当超声波发射器工作时开始计时，超声波接收器工作时通过中断停止计时；方向校准单元，用于确定基准方向，此基准方向将作为设备安装时的参考方向，同时也对风向数据进行校正，使其与实际地理方向一致，方向校准单元由数字罗盘和磁敏二极管组成，控制单元运用I2C总线控制方向校准单元对当地磁场强度进行测量，方向校准单元将测量得到的磁场强度数据传送至控制单元；数字罗盘和磁敏二极管均与控制单元相连；温度补偿单元由温度检测模块和加热模块组成，它用于对设备进行温度补偿以保证风速风向仪在寒冷环境下也能正常工作；温度补偿单元将检测的实时温度数据传送至控制单元，控制单元在温度低于设定的阈值时控制加热模块对设备进行温度补偿；温度检测模块和加热模块分别与控制单元相连；气压补偿单元由气压传感器和数据采集模块组成，气压传感器实时测量的气压数据，由数据采集模块对测量的风速数据进行修正与优化；控制单元运用I2C总线控制气压补偿单元对实时气压进行测量，气压补偿单元将测量得到的气压数据传送至控制单元；控制单元，与数据处理单元相连，进行测量过程中相关数据的处理并得出最终的风速风向数据；与风速风向测量单元相连，控制超声波的发射与接收，并通过中断来启动和关闭计时器模块，得到超声波传播时间；控制单元与方向校准单元相连，确定基准方向，地理北极即地磁南极方向，用于对风向数据进行校准，使风向数据与实际风向一致；控制单元与温度补偿单元相连，通过接收温度传感器的数据来判断是否开启加热模块，使设备在温度较低的情况下仍能正常工作；控制单元与气压补偿单元相连，通过接收气压传感器的数据来对风速数据进行校正，得到不同气压环境下的真实风速数据；数据处理单元，接收控制单元的方波驱动信号、超声波回波信号、温度测量数据、磁场方向数据和气压测量数据；对于控制单元发送的方波驱动信号，数据处理单元将其分频后送入三极管和变压器组成的驱动电路，驱动超声波传感器发送超声波；对于超声波回波信号，数据处理单元将其滤波、放大、比较处理后送入控制单元；对于温度、磁场、气压测量数据，数据处理单元将从相应传感器接收的数据进行滤波、放大处理后送入控制单元；机壳包括上机壳和下机壳，上机壳与下机壳通过支架相连；下机壳下方设有安装立柱，用于支撑固定作用；控制单元、数据处理单元、风速风向测量单元、方向校准单元、温度补偿单元和气压补偿单元均放置在下机壳中，四个超声波接收传感器，位于下机壳同一圆周上且相互间隔90度，即四个超声波接收传感器内嵌在下机壳中并位于同一圆周的四点上，相互间隔90度角，一体化超声波发射传感器也内嵌在下机壳中，且位于圆心位置；上机壳中心，即正对一体化超声波发射传感器的位置为凸面，用于反射超声波脉冲信号。