超声波风速风向测试仪的设计

王华英等

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）007-104-03

1 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、t21，t34、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0埃嵌劝茨媸闭敕较蛟龃蟆？

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氨浠傻梅缦蛉缦鹿舰龋？

（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3 V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。

超声波风速风向测试仪硬件模块主要有超声波传感器、超声波发送驱动及接收处理电路、实时时钟、FLASH、RS485、AD采样、探头温度测量电路、探头加热电路等。系统方框图如图4所示。

各模块功能描述：

（1）超声波传感器模块：由超声波传感器和超声波发送驱动、接收处理电路组成。超声波发送驱动将单片机产生的脉冲信号发送给超声波探头发射；超声波接收探头接收到超声波信号后，由接收处理电路进行信号滤波、信号放大及电压比较电路等，通过IO引脚产生中断输入到单片机。

（2）超声波收发控制模块：选择当前工作的收发探头，发射、接收脉冲信号，测量超声波脉冲的接收时间，并计算风速、风向值。

（3） FLASH：用于保存测试仪的设置参数及风速、风向的测量数据。

（4）RS485：用于与计算机通信，便于用户实时监测、获取及修改设备参数。

（5） AD与测温电路：用于测量超声波传感器探头表面温度。

（6）加热模块：在工作温度较低的环境下，用于给四个超声波传感器加热，防止探头表面结冰，影响测试仪测量。

4.2 超声波风速风向测试仪的软件设计

4.2.1 超声波收发控制

在风速采样过程中，超声波收发控制模块通过电子开关，先打开超声波传感器探头1的发、探头3的收通道，同时由产生占空比为1：1的10个脉冲，通过探头1发送出去，在发送第1个脉冲后，开启超声波信号接收计时；在探头3收到超声波脉冲后，读取测得计时器的时间t13，关闭当前的超声波收、发通道。接着打开探头3的发，探头1的收，测量t31的时间；之后，探头2、探头4重复探头1、探头3的测量步骤，测量t24、t42的时间。

超声波探头的收发控制流程如图5所示。

4.2.2 风速、风向值计算

为能准确获取每秒风速、风向的实际值，测试仪中风速、风向的采样率为4Hz，并把每次采样的风速、风向值记录下来，在4次采样完成后，求平均值，得到的平均值即为当前秒的风速、风向值。为提高风速、风向的测量精度，设置风速、风向平均值的计算时间（1-3600s），获取某段时间内的风速、风向值，并将测量数据上报。

风速、风向值的计算流程图如图6所示。

4.2.3 加热控制

为降低设备功耗，探头加热控制只在加热使能打开后，才进行温度加热监控，加热监控间隔时间为15秒。当探头温度低于4度时，加热控制开关打开，加热电路为四个探头加热；当探头温度高于4度时，加热控制开关关闭。

加热控制流程图如图7所示。

5 实验结果

5.1 模拟风场测试数据

在前期设计过程中，利用空气压缩机向压缩罐内压缩一定压力的空气，再通过控制压缩罐的放气开关来模拟0～60m/s的风场测试环境。经过多次试验，该环境产生的风在一定时间内基本能够稳定，可满足设计模拟环境的需要。

在模拟风场环境下，主要与计量中心计量合格的德国lufft气象站的风速测量值进行对比。测量数据如表1所示。

表1 测量数据 表2 计量数据

5.2 气象局计量中心计量数据（见表2）

测试结果符合气象计量中心对风速测试设备的指标要求。

6 结论

超声波风速风向检测设备以其独特的优点在气象行业、农林水利、电力环境、海洋环境等领域已被广泛应用。目前国内超声波测风设备主要从国外代理，价格高昂。

本文设计的超声波风速、风向测试仪在提高测试仪稳定性、可靠性、精度的同时，也高度重视设备的功耗。通过大量实验测试及计量中心测试，证明了该超声波风速、风向测试仪的精度及可靠性，且本文设计的风速、风向测试仪与国内外同行产品相比，功耗较低（0.2w）、性价比高。

在人机交互方面，通过R485通信接口，可进行参数配置及风速补偿，并能实时监测及查询测量记录，应用比较灵活。该超声波风速、风向测试仪进入国内市场后，必将给市场带来一定的冲击。

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