超声波风速风向仪设计.docx

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超声波风速风向仪设计

超声波风速风向仪设计

1.研究背景及意义

风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。

风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。

杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。

热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。

这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。

现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：

安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。

2.国外研究历史及发展状况

超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。

７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。

同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。

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、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。

我国的超声波流量计设计工作起步比较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已经开始批量生产并投入使用。

风速测量这一领域，国比较先进的是华岩仪器设备生产的２Ｄ超声波测风仪，国外比较先进的是意大利Deltaohm公司生产的HD2003超声波测风仪。

3.超声波风速风向仪介绍

1>部分产品技术资料及特点简要介绍如下：

型号

WS801

WS802

WS803

WS804

照片

主要优势特点

测量精度高；316不锈钢固态设计，结构坚固；防腐蚀；使用寿命长；无需校准、维护。

探头置，抗雷电干扰和风雪袭扰，全天候工作。

探头置且相向设置，既抗雷电干扰和雨雪袭扰，又能提高测量精度。

探头置，防护等级最高，体积最小、性价比最高、安装使用方便、参数观察直观。

主要适用场合

气象监测、舰船航行、风力发电、城市与森林消防、环境监测、矿山开采、铁路桥梁、隧道涵洞及各类石油与天然气钻井作业平台等。

中小型船只、道路桥梁、隧道涵洞等。

更适合沿海一线的高山、岛屿，以及舰船等。

任何场合。

风速参数

启动风速0m/s

响应时间<0.5s

测量围0～70m/s

精度±0.1m/s（0～5m/s），<±1.5%（5～65m/s）

分辨率0.01m/s

启动风速0m/s

响应时间<0.5s

测量围0～70m/s

精度±0.1m/s（0～5m/s），<±1%（5～70m/s）

分辨率0.01m/s

启动风速0m/s

响应时间<0.5s

测量围0～60m/s

精度±0.1m/s（0～5m/s），<±1%（5～60m/s）

分辨率0.01m/s

启动风速0m/s

响应时间<0.5s

测量围0～50m/s

精度±0.1m/s（0～5m/s），<±3%（5～50m/s）

分辨率0.1m/s

风向参数

测量围0～360°（无死角）

精度±1°

分辨率0.1°

测量围0～360°（无死角）

精度±2°

分辨率0.5°

声速

参数

声速围300～370m/s

精度±0.1m/s

分辨率±0.01m/s

声速围300～370m/s

精度±0.1m/s

分辨率±0.01m/s

信号输出

RS-232、RS-485、RS422、CAN-BUS或4-20mA（4mA：

0m/s；20mA：

60m/s）

数据格式：

NMEA0183

$WIMWV,xxx（风向）,R,xxx.xx（风速）,M,A*CC

工作电压

9～32VDC；可定制

使用环境

存储温度-50～+80℃

使用温度-40～+70℃

防护等级IP65

物理尺寸

200*200*240mm3

150*150*180mm3

60*60*100mm3

安装

适合风杆直径：

50mm

适合风杆直径：

50mm

适合风杆直径：

40mm

重量

2Kg

1Kg

2>产品具体优势与特点如下：

★超声波技术，测量精度高

多个超声波探头在测量空间实时发送、接收超声波信号，确保参数实时高效；严格的单机测试技术确保测量精度高于国同类产品。

★全固态设计，使用寿命长

优势的材料，精密的工艺，全固态设计，使整机无任何转动部件，结构更坚固，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。

1>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。

2>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