超声波风速风向仪设计Word格式文档下载.docx
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该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。
８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。
９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。
从国内、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。
当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。
日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。
我国的超
固，能抗海水、盐雾腐蚀，使用寿命长。
★无环境要求，全天候工作
仪器内置自动温控保护装置，防止极端寒冷条件下冰雪冻结超声波探头造成的测量性能下降，确保仪器可以在任何环境条件下全天候工作。
★一次性校准，终生免维护
仪器在出厂前一次性校准，使用过程中无需任何测试与校准；
无需采取任何维护措施。
★无人值守，信息无线传输
仪器可采用配套的太阳能电池板供电；
测量信息远程无线传输，远距离后方监视。
无需铺设电缆。
可广泛应用于环境恶劣的高山、海岛等无人值守的边远地区。
4.产品应用领域
作为高新技术产品，公司研发生产的系列产品在民用、军用领域市场应用前景广阔。
★民用市场
★风力发电
★气象检测
★船舶航海及钻井作业平台
★高速铁路公路网
★航空机场环境监测
★地铁、隧道与矿山开采
★军用市场
★坦克兵、高炮部队
★航空兵部队
★海岛、边远地区作战部队
★武警及公安消防部队
5.超声波的产生与传播
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。
每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等.我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。
一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收.
在本实验中，采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器，它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。
1>
压电效应
某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。
物质的压电效应与其内部的结构有关。
2>
脉冲超声波的产生及其特点
当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时,由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。
振荡频率与晶片的厚度和声速有关,适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波,即超声波。
此种方式发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波。
3>
定位原理
利用超声波进行探测的另一个原因是超声探头发射的能量具有较强的指向性。
指向性是指超声波探头发射声束扩散角的大小。
扩散角越小，则指向性越好，对目标定位的准确性越高。
在固体材料的尺寸测量、无损检测、超声诊断、潜艇导航等超声应用中，都利用了超声波的这一特点。
6.超声波风速风向仪的工作原理
超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。
声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。
若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；
反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。
因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。
通过计算即可得到精确的风速和风向。
由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；
风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。
7.超声换能器
声波的发射和接收是通过换能器来完成的。
换能器是一种可以把一种形式的能量转换为另一种形式的能量的器件，而超声换能器是一种将超声能转换成电能、机械能或其他一些形式的能量的器件。
目前较为常用超声波换能器是压电式超声波换能器。
压电效应天然地存在于某些具有极轴的单晶体中。
当把具有压电特性的某种晶体材料切割成圆片状或者方片状，并在这两个平面上涂上金属薄膜作为电极，若有机械压力压在涂有电极的表面上时，则会在两个电极面上分别引起等量异号的电荷，因而两电极间会生成一个可观测的电压，这是正向压电效应。
当在两个电极上施加一电压，使之在晶体内形成一个电场时，就会得到反向压电效应，此时晶体将承受一机械应变。
本系统采用市场上常见的频率为４０ＫＨｚ压电陶瓷换能器，完成超声波声能与电能之间的相互转换口。
压电陶瓷换能器具有机电转换率高、容易成型、造价低廉等优点，而且通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声波换能器，如发射型、接收型和收发一体型。
8.超声波风速测量的实现方法
采用超声波进行气体流速测量可以采用三种形式：
时差法、多普勒法和涡街风速测量法，此系统仅通过时差法来测量。
时差法风速测量的基本原理
设南北（或东西）两超声波收发器的距离为d,顺风传输时间为t12,逆风传输时间为t21，风速为V（南北为Vx，东西为Vy）
超声波传播速度为C，有
=C+Vx
=C-Vx
Vx=（-）
同理可求得Vy,进而得出风速V，风向。
由三角合成计算得出：
风速为：
Vxy=
风向为：
=arctan
该法对于窄带的超声波信号，消除了声速C的影响，被测风速只与顺，逆流传播时间有关系，因而只要测得t12和t21，便可以求得当前被测风速，风向，基本上消除了温度等影响。
传感器配置方案
为了使得超声波测量发挥最好的效果，选择一种好的传感器配置方法对有效降低环境因素的负面影响，提高超声波风速测量的可靠性具有重要的意义。
本设计针对三种不同的传感器配置方案进行了对比试验，参与试验配置方案如下
方案1：
交叉法
交叉法采用了四个RT（收发一体）超声波传感器探头，分别AC，BD两组，基于相位差方法的测量原理是在某一时刻，各组中分别有一只探头发射超声波，另一只探头接收信号，下一时刻各组探头功能装换。
这样处理器可以获得2*2个接收数据，通过对这4组数据的处理可以获得风速风向值。
方案2：
反射法
反射式配置方案包括两个探头极板，一个极板上安装三个RT（配置成等边三角形探头组），三个RT探头传感面保证在一个平面上，此平面平行于反射极板。
三个探头轮流收发，在任意时刻，保证探头组中有一只传感器发射超声波，其余两只传感器接收信号，三只传感器轮换发射一周，可获得三组接收数据，通过计算和处理，可获得风速风向值。
反射板的加入，能够使得超声波传播声程加大，利于提高测量精度。
方案3：
三角配置
平面三角配置方案，将三个RT探头置于等边三角形的三个顶角，仍使用三探头轮流收发方法，获得三组测量值之后经过计算处理得到最终风速风向值。
三角形边长可以做到10cm以内，传感器组及测量仪器电路板面积不大，这使得测量系统整体结构尺寸能够做的比较小，便于安装。
9.超声波发射接收电路
本系统采用频率为40KHz，收发一体的超声波换能器收发超声波信号，因此设计一套收发一体的超声波收发电路。
超声波发射电路
超声波发射电路由振荡电路，驱动电路及超声波换能器组成。
超声波换能器选用收发一体式，系统共用四个超声波换能器，垂直相向而放，一个超声波换能器配一套振荡电路。
四套振荡电路共用一套驱动电路。
分别用于顺时，逆时发射超声波信号。
驱动电路
超声波信号经过传播之后能量被衰减，接收电路只能接收到幅度很小的电压信号。
同时超声波换能器在产生超声波时需要一个较高的瞬时脉冲电压，因此为了准确识别接收信号，需要升压电路来驱动超声波换能器。
本系统中采用AD公司的微功耗升压/降压开关稳压器ADP1111来实现升压，ADP1111需要的外围器件极少，能实现升压，降压，反向模式，电压输入范围为+2~+30V,输出电压，电流均可调，输出电压由R6，R7构成的反馈网络调节，其计算公式为：
V0=1.25（1+R7/R6）。
为了能得到适当幅度大小的超声波接收信号，R7采用47K的可变电阻器，令R6位1K，通过调节R7的大小可产生最高60V的高压。
振荡电路
当超声换能器外加等于压电晶片固有振荡频率的脉冲时，压电晶片将会发生共振，产生超声波。
超声换能器具有谐振特性，即使向发射端输入频率与谐振频率相同的任意波形，接收端输出的也是正弦波，因此本振荡电路采用方波驱动。
利于单片机产生输出40KHz的方波信号，当发射完8个脉冲后，禁止单片机信号输出，超声波经过各个超声波换能器交叉发射超声波，交叉开关将模块0~3分配给I/O口P0.0~P0.3，控制四路超声波的发射与否，各路高低电平的控制由两个场效应管（NM0S，PMOS）组成的模拟开关的开合决定。
ADP111产生的高压通过场效应管的通段来产生高压脉冲信号，驱动换能器发出超声波脉冲，系统选取低功耗，耐高压，输入内阻大的高速NMOS和PMOS作为模拟开关。
Q2的栅极为低电平时，Q2截止，Q1的Vgs接近零电压，Q1截止输出低电平。
因此，超声波换能器因受到40KHz的脉冲电压而产生逆变电压效应，发射40KHz的超声波。
本系统为超声波收发一体式电路，在超声波发射时为防止发射电压倒灌入接收回路中，在街上回路的接收端之前正，反接入两个二极管，以起到限压保护作用。
4>
超声波接收电路
超声波的接收是本系统的重要部分，它关系到测量数据的准确性。
因而无论顺风，逆风，同一时刻只有一路超声波发射信号，一路超声波接收信号，故四个超声波换能器通过双四选一多路模拟选择开关CD4052共用一套接收电路，接收电路包括四选一多路模拟开关，带通滤波器，电压比较器。
5>
模拟选择开关
CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，具有二进制控制输入端A,B和一个禁止输入EN，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流，当EN输入端为“0”时，A,B的四种二进制组合状态用来在四对通道中选择其中的一对，可连接该输入至输出，当EN输入端=“1”时，所以通道截止。
本系统利用CD4052实现了令四路超声波发射电路复用一路接收电路，四个超声波接收信号输入端分别
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