超声波风速风向测试仪的设计.docx

超声波风速风向测试仪的设计摘要：该设计的超声波风速风向测试仪具有低功耗、精度高、可靠性强、检测速度快、检测范围大（测量范围：0～60m/s）等特点。该测试仪基于传统时差法的超声波风速风向检测方法并采用同侧V型安装方式由dsPIC33F系列单片机进行控制准确获取时差实现风速风向测量。该测试仪在风洞测试时获得较高地精度和稳定度。关键词：超声波风速风向时差法中图分类号：TP274.4文献标识码：A文章编号：1007-3973（2013）007-104-031引言近几年用超声波实现风速风向检测一直是个炙手可热的课题目前该技术在国外已应用的非常成熟而在国内该技术用于测风领域还处于发展阶段。国内生产的自动气象站在测风领域大都仍采用传统的机械式测风技术超声波测风技术未得到广泛应用。近些年随着国外超声波测风设备的流入国内超声波测风的设备几乎都被国外厂家占据而国内厂家仍未生产出成熟的超声波测风设备。随着气象站在各个领域的广泛应用超声波测风设备由于其具有传统机械式测风设备所不具有的独特优势必将占据更大的市场份额。鉴于此本文设计的超声波风速风向测试仪具有量程宽、精确度高的优点且能快速应用于自动气象站。2超声波时差法测风原理超声波在空气中传播时顺风与逆风方向传播存在一个速度差当传播固定的距离时此速度差反映成一个时间差这个时间差与待测风速具有线性关系。对于特定风向传播（如东西方向或南北方向）可选用一对收发一体的超声波探头保证两探头距离不变按东西或南北方向放置以固定频率顺序发射超声波测量两个方向上超声波到达时间由此得到顺风的传播速度和逆风的传播速度经过系统处理换算即可得到风速值。具体原理图见图1首先1探头作为发射探头2探头作为接收探头进行测量时得到一个时间然后2探头作为发射探头1探头作为接收探头得到相对方向上的另一个时间。图1超声波风速、风向测量原理图设南北（或东西）两超声收发器的距离为d顺风传输时间为t12逆风传输时间为t21风速为Vw超声波传播速度为Vc可得：=Vc+Vw=Vc-Vw化简可得：Vw=（-）（1）该方法能准确测得单一方向的风速。3二维风速、风向测量原理图2风速、风向测量坐标图设南北（或东西）两超声收发器的距离均为d两对顺、逆传播时间t12、t21t34、t43设t12为由西到东t21为由东到西t34为南到北t43为由北到南风速为VW东西为VWx南北为VWy超声波传播速度为VC。根据公式⑴可求得：东西方向上风速为：Vwx=（-）同理可求得南北方向上风速为VWy：VWy=（-）进而得出风速VW与VWx、Vwy的关系式：VWx2=+VWy2代入化简可得风速：Vw=（2）风向公式：cos=设正东方向为0Ｇ度按逆时针方向增大。将东西方向上风速及公式⑵求得风速代入可得：化简并求反函数：（3）随着风向从0-360变簧得风向如下菇⑷＃（4）4超声波风速风向测试仪的实现设计中使用的超声波探头为美国AIRMAR公司的AT200（200khz）探头探头推荐的接收范围为10cm～2m典型应用为12cm～2m。为使测试仪结构小巧四个探头分别在东、西、南、北方向进行V型等距安装距离设置为12cm这样既可以保证超声波探头接收精度又使结构灵活小巧。V型安装测风原理框图如图3所示。图3V型安装测风原理图t12为传感器a发出的超声波信号到传感器b接收到的顺风传播时间；t21为传感器b发出的超声波信号到传感器a接收到的逆风传播时间；设L为超声波信号从传感器a传播到传感器c的传播距离（a―b―c）可得：t12=；t21=；式中：X为径向距离单位：m；C为气体声速单位：m/s；V为风速单位：m/s；L为超声波传播距离单位：m。气体速度V可得：V=*；可得声速C：C=*；4.1超声波风速风向测试仪的硬件设计本文设计的测试仪收发超声波传感器间的传输距离为12cm声波在空气中的传播速度为340m/s则超声波从发送到接收所需传输时间为0.353ms因此在设计时系统必须要有较快的测量精度及处理能力。为提高风速风向测试仪的检测精度处理器选用dsPIC33F系列单片机该单片机系统时钟最高可设置为40MHZ检测时间精度最高可达0.025us满足设计要求。