一种四探头三维风速风向传感器及风速测量方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115201513A(43)申请公布日2022.10.18(21)申请号202211034241.9(22)申请日2022.08.26(71)申请人东南大学地址211189江苏省南京市江宁区东南大学路2号(72)发明人贾亚宁程丽帆易真翔(74)专利代理机构南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)32249专利代理师秦秋星(51)Int.Cl.G01P5/24(2006.01)G01P13/02(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图4页(54)发明名称一种四探头三维风速风向传感器及风速测量方法(57)摘要本发明公开一种四探头超声波三维风速传感器及风速测量方法，四个探头位于四面体的顶点，依次收发超声波；电路系统分为激励超声波探头电路与反馈信号接收电路，单片机发出激励信号经过功率放大，在开关选通发射模式时传递给超声波探头激发它产生超声波信号。激励信号同时作为start信号让计时芯片开始计时，接收端的接收到超声波信号之后经过放大、滤波和比较器后成为stop信号让计时芯片停止计时，并将时间信号传给单片机。本发明采用时差法测量速度，一个探头发射信号时，其余三个接收信号；并在四个探头都轮流收发之后将得到12个时间信号，先将四条棱上的速度计算出来，再建立空间正交坐标系，将风速再三个坐标轴上分解并合成得到最后的三维风速。CN115201513ACN115201513A权利要求书1/1页1.一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，包括四个探头、计时芯片与单片机；所述四个探头所在平面构成四面体，四个探头轮流收发信号，其中一个探头发射信号的时候，其余三个探头均接收信号；所述计时芯片确定从一个探头发射超声波开始，到另一个探头接收超声波结束的时间差；所述单片机负责控制发射超声波的探头、负责接收信号的探头、与决定处于计时状态的芯片；所述单片机还负责将芯片发送的时间数据经过处理，得到三维风速。2.根据权利要求1所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，还包括双路选择开关、激励电路和接收电路；所述激励电路的输入端和输出端分别连接单片机和双路选择开关；所述接收电路的输入端和输出端分别连接双路选择开关和单片机；所述单片机控制双路选择开关选通接收模式还是发射模式。3.根据权利要求2所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，还包括功率放大器；功率放大器的输入端和输出端分别连接激励电路的输出端和双路选择开关。4.根据权利要求2所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，还包括放大滤波电路、比较器；放大滤波电路的输入端和输出端分别连接双路选择开关和比较器，比较器的输出端连接所述计时芯片的输入端。5.根据权利要求2所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，所述双路选择开关包括CD4052模拟开关芯片，所述单片机连接CD4052模拟开关芯片的控制端。6.根据权利要求1所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，所述计时芯片采用TDC‑GP22，与单片机通过SPI协议通信，由单片机读出时间信号。7.根据权利要求1所述的一种四探头超声波三维风速传感器，其特征在于，所述探头的中心频率为40kHz。8.基于权利要求1所述四探头超声波三维风速传感器的风速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：单片机向一个探头发送激励信号，激励该探头发出超声波，同时发送给该探头对应的计时芯片，开始计时；步骤2：单片机给其余三个负责接收超声波的探头对应的计时芯片发送激励信号，表示计时开始；步骤3：四个探头轮流收发信号，在一个探头发射信号的时候，其余三个均接收信号；每个计时芯片均记录N次时间数据，获得N*4个时间信号，并输入到单片机；步骤4：单片机在四个探头都轮流收发信号之后，先计算四面体四条棱上的速度，再建立空间正交坐标系，将风速在三个坐标轴上分解并合成得到最后的三维风速。9.根据权利要求8所述的风速测量方法，其特征在于，所述单片机采用时差法计算风速。10.根据权利要求9所述的风速测量方法，其特征在于，风速的计算公式为：其中，L表示两个探头之间的距离，θ表示风速与两个探头连线之间的夹角，tab表示超声波由探头a向探头b发射的传播时间，tba表示超声波由探头b向探头a发射的传播时间。2CN115201513A说明书1/6页一种四探头三维风速风向传感器及风速测量方法技术领域[0001]本发明涉及超声波探头测量风速技术领域，尤其是一种四探头超声波三维风速传感器及风速测量方法。背景技术[0002]由于风速测量在生产生活中的重要性，各种风速测量仪器随之产生，超声波风速测量仪就是其中非常热门的一种。在实验声速的测量中，与其它仪器相比，超声波风速测量仪不需要人为干预，精度高，稳定性好，安装简单，维护方便。因此，