超声波台风测速仪的设计与实现

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高精度超声波测风仪的设计

高精度超声波测风仪的设计摘要：设计一种能用于低空风速风向测量的新型超声波测风仪。

给出了超声波测风的基本的原理，并对系统采用的互相关时延估计算法进行分析，详细描述了超声波测风仪的系统结构和时序控制。

实验证明：该系统可以精确测量风速与风向，并具有频响快，工作可靠等特点，可以用于机场区域低空风场情况的实时监测。

关键词：超声波测风；互相关检测；超声波传感器Design of ultrasonic anemometer of high precisionAbstract：a new ultrasonic anemometer which is used to measure low-level wind speed and direction is designed .the principle of the ultrasonic wind measurement is described ,and the cross-correlation time delay estimation algorithm of system is analyzed .system cofiguration and timing controll of ultrasonic anemometer are descibed in detail .experiments testify the system can accurately measure wind speed and direction .it also has others advatages ,such as fast frequency response ,good reliability ,etc .so it can be used for realtime monitoring of the situation the low-level wind field at airport.Key words : ultrasonic wind measurement; cross-correlation detection; ultrasonic transducer0前言在民航运输中，风对飞机安全进场离场影响很大：风机起降时必须根据近地面的风速和风向选择适宜的起飞、着陆方向；低空风场情况复杂时（如存在低空风切换[1]）还会根据实际情况推迟或取消航班。

超声波测风速原理

超声波测风速原理
超声波测风速是一种利用超声波进行测量的技术。

它具有精密、
高速、非接触等优点，在空气动力学、交通运输、环保、气象等领域
有广泛的应用。

下面我们对超声波测风速的原理进行介绍。

超声波传播的速度是固定的，即在空气中为342米/秒。

当超声
波在空气中传播时，若遇到风速不同的气流，则超声波传播的速度会
因此而改变。

根据多普勒效应，当声源和接收器相对于运动物体来说时，接收到的声波频率会有所变化。

利用这个原理，可以测定超声波
被风速改变的频率差，从而得到风速信息。

具体来说，超声波测风速采用一对超声波传感器，分别作为声源
和接收器。

声源向空气中发出一束超声波，接收器接收反射回来的超
声波。

当气流中有风吹过时，超声波传播的速度就受到了风速的影响，从而超声波频率也受到了影响。

接收器接收到的超声波频率与声源发
出的频率之间就存在一个频率差，通过测量这个频率差就可以计算出
风速。

超声波测风速的准确性受到环境因素的影响，例如温度、气压、
湿度等因素都会对声波传播速度造成影响。

因此，在进行测量时需要
对这些因素进行修正，确保测量结果的精度。

总之，超声波测风速是一种利用超声波测量风速的技术。

它的基
本原理是利用超声波传播速度受风速影响的特性，通过测量反射回来
的超声波频率差计算出风速。

尽管受环境因素的影响，但是它仍然具
有很强的精度和实用性，广泛应用于气象、空气动力学、交通运输等
领域。

超声波风速风向仪设计说明

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。

超声波风速风向仪设计汇总

超声波风速风向仪设计汇总硬件设计方面，首先需要设计超声波传感器模块。

该模块由超声波发射器和接收器组成。

超声波发射器产生超声波信号，而接收器接收回波信号。

这两个模块之间的距离可以确定风速的大小。

接下来是信号处理模块的设计。

该模块将接收到的超声波信号进行放大和滤波处理，以减少噪声的干扰。

随后，模数转换器将模拟信号转换为数字信号。

为了确定风向，需要设计方位传感器模块。

该模块可以测量超声波传感器模块相对于北方的角度。

这将使我们能够确定风的方向。

算法设计方面，首先需要进行数据校准。

这个过程可以通过将风速仪放置在已知风速下进行校准。

通过比较已知的风速数据和测量的数据，我们可以确定校准系数。

这些系数将用于计算真实风速。

然后，需要设计算法来计算风速和风向。

这可以通过计算超声波传感器模块之间的距离差来实现。

距离差越大，风速越大。

同时，通过计算方位传感器模块相对于北方的角度，可以确定风的方向。

最后，还需要设计用户界面模块。

该模块用于显示风速和风向的数据。

可以使用LCD显示屏显示这些数据。

用户还可以通过按键来选择不同的功能和模式。

总结来说，超声波风速风向仪的设计包括硬件设计和算法设计两个方面。

硬件设计主要涉及超声波传感器模块和方位传感器模块的设计，以及信号处理模块和数据采集模块的设计。

算法设计主要涉及风速和风向的计算算法和数据校准算法。

同时，还需要设计用户界面模块来显示数据和提供用户交互。

这些设计可以使超声波风速风向仪准确地测量风速和风向，具有较高的实用性和可操作性。

超声波风速仪的设计

超声波风速仪的设计摘要风作为一种自然现象,它是影响气候变化的最重要因素之一。

本身又蕴藏着巨大的能量,能对人类活动产生重大影响。

风能利用也已经成为解决全球能源问题的重要方案之一。

风向风速测量仪用于测量目的地的风向风速,其测量到的瞬时风向风速,经计算处理可输出瞬时风速风向值、平均风速风向值、最大风速等数据。

基于超声波的风速测量仪器结构简单、无运动部件、使用寿命长，利用超声波收、发换能器发送接收脉冲信号，没有零点漂移，以上优点很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用。

它将是机械式风速仪的强有力替代品。

本设计采用STC89C52单片机作为模块处理器，使用四个超声波探头，东西方向及其南北方向各放置一对超声波探头，通过测量两对超声波接收时间差，利用时差法分别计算两个方向的风速，最后通过向量的叠加来实现风速的测量，包括大小及其方向。

由于温度对超声波的传播具有一定的影响，故在本设计中对声波的传播进行温度补偿，温度补偿的实现通过性能稳定的温度传感器DS18B20进行温度检测，从而实现风速的补偿。

在通信模块中，通过RS485通信技术，采用MODBUS协议，并且带有CRC 校验，将单片机采集的数据经过处理计算上传至上位机，实现上位机对风速的监测、存储、分析，进而实现在上位机上完成数据的显示、风速风向的测定值的显示、历史数据的查询等扩展功能。

超声波的风速测量仪研究的目的是实现风速风向的自动测量，提高风速测量的精度，扩展风速测量范围，进而取代目前国内市场上缺陷颇多的传统机械旋转型风速仪；引入RS485通信技术，使区域气象监测更具自动化、智能化。

关键词：STC89C52单片机；超声波;TDC-GP21；RS485通信；ABSTRACTThe wind as a natural phenomenon, it is one of the most important factor in the impact of climate change . Itself has huge energy,which can have a significant impact on human activities. Wind energy has become one of the important solutions to solve the problem of global energy. Ultrasonic anemometer is used to measure wind direction and speed, the measured instantaneous wind direction and speed, the calculation by computing, can be output value, average wind speed and direction values,maximum wind speed data. The anemometer based on the ultrasonic ,simple structure, no moving parts ,long service life, sent to send and receive pulses signal by ultrasonic transducer , no zero drift. The advantages aboved is to overcome the inherent flaws of mechanical anemometer. So it can work around the clock, normal for long, more and more widely used. It will be a powerful alternative of mechanical anemometer. This design adopts STC89C52 microcomputer as the processor module . It uses four ultrasonic probe, the east-west and north-south direction placed a pair of ultrasonic probe, by measuring the time of ultrasonic transmitting and receiving . Time difference method is used to calculate wind speed and finally getting the result by vector superposition including the size and direction. Due to the influence of temperature on the ultrasonic transmission, so in this design temperature compensation is used , the realization of temperature compensation by temperature sensor DS18B20 that has stable performance , so as to realize the compensation of wind speed. In communication module, through the RS485 communication technology, adopts the MODBUS protocol, and with a CRC check. The microcomputer collect processed data to upload the first machine , realizing wind speed monitoring, storage, analysis. The purpose of ultrasonic anemometer is to realize the automatic measurement of wind speed and direction, improve the accuracy of measurement, expanding the range of wind speed measurement . Introduction of RS485 communication technology, make the regional meteorological monitoring more automatic and intelligent.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 前言 (1)1.1 背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 设计的任务与要求 (3)1.4 本设计的创新点 (3)2 系统的总体方案设计与论证 (4)2.1 系统的整体方案设计 (4)2.2系统的整体方案论证 (5)3 系统的硬件设计 (6)3.1 单片机简介 (6)3.2超声波的概述 (8)3.3电源模块 (10)3.4 风速仪的测速原理 (12)3.5 超声波反射接收模块 (14)3.6 485通讯模块 (15)3.7温度补偿模块 (17)4 系统的软件设计 (19)4.1 计算风速算法的选择 (19)4.2 主程序流程图 (21)4.3 温度测量部分的软件设计 (21)4.4 485通讯模块的软件设计 (23)4.5 上位机软件设计 (25)结论 ............................................... 错误!未定义书签。

基于DSP的超声波式风速风向检测仪的设计

1 超声波风速风向检测仪的结构和测量原理
超声波测风采用时差法，其原理是利用超声波信号顺风和逆风传播的时间差来测量风速和风向。超声波时差法测风模型如图 1 所示。 A 、B 分别为收发一体式超声波换能器，超声波换能器 A 和 B 的连线与风向成 45 度角，设置 A 与 B 的收稿日期：2014-04-23 稿件编号：201404216
达到 100 MHz ，最小检测分辨率也只有 10 ns ，误差比较大；超声波在空气中传播速度受温度影响，需要对温度造成的误差进行修正；同时超声波换能器在接收超声波时是逐步起振和余振逐步消失的过程，因此由硬件带来的误差对时间差的测量具有较大的影响，采用直接测量时间差的方法会造成测量结果严重失真 [8-9]。本文测量超声波在空气中传播的时间差，采用对时间测量信号进行互相关法进行计算，互相关法的优点在于其测量精度高，对环境噪声具有很强的免疫性。相关函数描述了一个信号过去时间和现在时间的相互关系，也可以估计信号的下一个取值，相关函数能够描述两个信号之间的相互关系或者相似性程度。由信号相关性可知，r1（t）和 r2（t）的互相关函数 R12（t）为
VAB=- L （tBA-tAB） tAB*tBA
当 tAB=tBA 时，风速为 0 ，因此风速表达式可以写为
VAB=
L （tBA-tAB） tAB*tBA
2
（4 ）

超声波风速仪原理

超声波风速仪原理超声波风速仪是一种用于测量风速的设备，它利用超声波技术来实现对风速的准确测量。

超声波风速仪的原理是基于超声波在空气中传播的特性，通过测量超声波在空气中的传播时间来计算风速。

下面将详细介绍超声波风速仪的原理及其工作过程。

超声波风速仪利用超声波在空气中的传播速度与风速之间的关系来测量风速。

当超声波沿着风的方向传播时，它会受到风的影响而加速或减速，这种速度的变化与风速成正比。

因此，通过测量超声波在空气中传播的时间，就可以计算出风速的大小。

超声波风速仪通常由发射器和接收器两部分组成。

发射器会向空气中发射超声波脉冲，而接收器则会接收这些脉冲并测量它们在空气中的传播时间。

通过比较发射和接收的超声波脉冲，就可以计算出风速的大小。

在实际应用中，超声波风速仪通常会采用多个发射器和接收器来提高测量的准确性。

通过同时测量多个方向上的超声波传播时间，可以更精确地确定风速的大小和方向。

此外，超声波风速仪还可以通过对超声波脉冲的频率和幅度进行分析，来进一步提高测量的精度。

超声波风速仪的原理简单而有效，它不受风向的影响，可以在各种复杂的环境中准确地测量风速。

由于超声波在空气中的传播速度非常快，因此超声波风速仪可以实现对风速的即时测量，响应速度非常快。

总的来说，超声波风速仪利用超声波在空气中的传播特性，通过测量超声波的传播时间来计算风速。

它具有测量精度高、响应速度快等优点，适用于各种环境下对风速进行准确测量的需求。

随着超声波技术的不断发展，超声波风速仪将在更广泛的领域得到应用，并为风速测量提供更加可靠的解决方案。

超声波风速仪是如何测量风速的

超声波风速仪是如何测量风速的
超声波风速仪最早于 1950 年代被开发出来。

它的原理是测量超声波脉冲在两个探头之间传播的时间来计算空气移动的速度，也就是风速。

当空气移动时，超声波在两个探头之间的时间会变长或变短。

超声波在空气里就像水里的鱼，水的流动方向，顺流而下或逆流而上，会影响鱼行进的速度。

上图是一个最常见的超声波风速仪，它有一个超声波发射探头，三个超声波接收探头。

这样，就可以测量在二维平面上3 个方向上的风速。

根据平面几何原理，要计算风速和方向，我们只需要两个不同方向上的风速就够用了。

但为了提高计算的精度和稳定性，通常会提供一个冗余的测量值，就像上图的结构。

另外，上图的这个结构，可以提供三维空间上的风速和风向测量，它的原理并没有本质的区别，就是各个方向上的向量合成。

但是，在很多场合，由于结构上的特点，上述两个结构会出现一些问题。

比如，超声波风速仪的一个重要特点就是防结冰，但是上述结构在加热方面还是会有一些欠缺，在极端情况下，仍然会发生结冰，比如，下图的情况：
为了扩展使用场合，适应更严苛的环境，如下图的结构被开发出来：
它没有裸露在外的探头，它整个结构更紧凑，可以做的更小，并
且加热更容易。

它的原理在传统基础上做了改进，如下图：
它的发射和接收器件完全封装在上部的密闭器件里，发射器和接收器之间通过底部平面的反射来进行超声波的传递。

通过计算气流对超声波发射和接收的影响来计算风速。

以上，是超声波的基本工作原理和产品形式。

超声波风速风向测量装置的原理及应用

１超声波的特点及应用超声波是一种频率高于２０ｋＨｚ的声波，是基波和高
次谐波的合成，由于谐波声场的存在，使得超声波这一合成声场具有良好的指向性。超声波频率高，波长短，衍射不严重，声学参量阵使得声波能量在传播过程中不断得到加强，因而沿直线传播时，在一定距离内具有良好的束射性和指向性，容易获得集中的声能ｌ５Ｉ。
ＳｏｎｇＷｅｎ－ｃａｎ，ＦｕＳｈａｏ—ｓｈｕａｉ（Ｃ０ｌｌｅｇｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａｎｄｏｎｇＱｉｎｇａａｏ２６６５ｌ０）
ａｎｄｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕＩｌｒａｓ０ｎｉｃ：ｕＩｔｒａｓＯｎｉｃｓｅｎｓＯｒｓ：ｕＩｌｒａｓＯｎｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｌｉ０ｎ：ｐｒＩｎｃｉｐｌｅ
ＣＬＣｎｕｍｂｅｒ：ＴＰ２７４．５３Ｄｏｃｕｍｅｎｔｃｏｄｅ：Ａ
几年，超声波风速仪将降低生产成本，此外，其陛能更稳定、测量更精确、应用更广泛。关键词：超声波；超声波传感器；超声波风速仪；原理
中图分类号：ＴＰ２７４．５３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００３—０１０７（２０１６１０６—０Ｏ４９—０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｅ—
ｎｄｖｅｃｔｏｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｉｎｔｈｅｃｏｍｉｎｇｙｅａｒｓ，ｉｔｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ

超声风速仪的设计与研制

超声风速仪的设计与研制随着全球气候变暖，环境污染日益严重，气象学在日常生活中扮演着越来越重要的角色。

而风速是气象学的一个重要参数，因此，精确测量风速的设备和技术变得尤为重要。

近年来，超声波测速法成为了一种重要的测风技术，并且得到了广泛应用。

据此，本文将从设计与研制角度，介绍超声风速仪。

一、超声风速仪的原理超声风速仪采用超声多普勒效应，即利用超声波在气体中的散射和受回波强度影响来确定气流速度和方向。

它利用超声波在气体中传播的速度小于在固体中传播的速度的特点，将声波传播到气流中，并测量气流对声波的回波信号。

根据多普勒效应，当气流向声波源接近时，回波频率增大；气流离声波源远离时，回波频率减小。

通过计算这种频率变化，就可以得出气流的速度。

二、超声风速仪的优点1. 测量范围广：超声风速仪能够测量从几米每秒到300米每秒的宽范围速度。

2. 省电：超声风速仪的工作电流非常小，因此它使用电池操作通常可以持续数月。

3. 精度高：超声波以声速传播，不受外部环境干扰，并且它的速度测量精度高，可以达到0.01米每秒。

4. 可靠性高：超声风速仪是非接触的，无需移动部件，减少了机械磨损，从而提高了它的可靠性。

三、超声风速仪的设计与制造超声风速仪的设计和制造需要多项技术的支持，包括实现超声波的发射与接收，实现频率变化的计算，以及对测量中的干扰进行抑制。

1. 超声波的发射与接收超声风速仪需要通过发射超声波来测量气流的速度，同时还需要接收超声波的回波信号。

为了实现这些功能，超声风速仪需要一个发射超声波的装置和一个接收回波的传感器。

发射超声波的装置通常是一个或多个压电换能器，它能将电信号转换为机械能，并震动产生超声波，通常采用50kHz频率的超声波。

接收回波的传感器也是一个压电换能器，它能将机械能转换为电信号，并将回波传送到信号处理器。

2. 频率变化的计算超声风速仪测量气流速度需要计算回波频率的变化。

日常使用中，我们需要一个微观控制系统，它包括一个微控制器、频率折返器和运算放大器。

超声波风速探测技术研究及应用分析

超声波风速探测技术研究及应用分析随着风能的日益成熟和运用，风速的准确测量对于风能行业的发展变得越来越关键。

而超声波风速探测技术作为一种新型的、先进的风速探测技术，由于具有高精度、不受风向限制，同时安装方便、维护成本低等优点，已逐渐成为目前最为主流的风速探测技术之一。

一、超声波风速传感器的工作原理超声波风速传感器一般由发送器和接收器两部分组成，它们通过一定的距离发射和接收无线超声波信号，实现了对风速的探测。

当超声波信号离开发送器后，它会在气流中产生回音信号，接收器接收到这一信号后，就能够计算出空气的流速。

超声波风速探测技术在探测风速的时候，不同于传统的测风杆技术需要面向风向进行，它可以在任何角度的情况下，都能够准确地测量出气流的速度。

二、超声波风速传感器的应用目前超声波风速探测技术主要应用于风力发电、车辆气动性能测试等领域。

风力发电作为超声波风速探测技术的主要应用领域之一，目前已经有越来越多的超声波风速传感器应用于风机群的监测之中，它能够实时测量风机的风速，并将数据传输回控制中心进行分析。

在车辆气动性能测试领域，超声波风速探测技术目前已经得到了广泛的应用，它能够测量车辆行驶时的垂直速度、横向速度、旋转速度等数据，为汽车厂家提供了重要的数据参考。

三、超声波风速传感器的发展现状超声波风速探测技术在风力发电和车辆气动性能测试领域得到了广泛的应用，同时随着科技的不断发展，这种技术也在不断地完善。

近年来，国内外一些知名科研机构相继推出了一些新型的超声波风速传感器。

比如，加拿大Lufft公司推出了一款能够测量不同高度下的风速和风向的超声波风速传感器。

而国内一些厂商也开始专注于超声波波束技术的研究和应用，精度和稳定性也有了不小的提高。

随着社会的发展和技术的进步，超声波风速探测技术将会在未来得到更为广泛的应用。

相信在不久的未来，它将会成为风能行业和车辆气动性能测试领域的主流技术之一。

超声波风速传感器原理

超声波风速传感器原理超声波风速传感器是一种用于测量风速的仪器。

它利用超声波的特性来实现对风速的精确测量。

以下是超声波风速传感器的工作原理和主要部件的详细解释。

超声波风速传感器通常由发射器、接收器、信号处理器和显示器等部分组成。

发射器负责发射超声波信号，接收器接收并转换回来的信号，信号处理器对接收到的信号进行处理以获得准确的风速数据，最后通过显示器将数据显示出来。

工作原理如下：首先，发射器发射超声波信号。

超声波是一种机械波，其频率一般在20kHz到200kHz之间，超出了人类听力范围。

超声波的传播速度与介质的物理性质有关，一般在空气中的传播速度为343.2米/秒。

当超声波遇到流动的空气时，其传播速度会受到影响。

接下来，接收器接收回弹的超声波信号。

接收器通常是一个微型麦克风或压电陶瓷传感器。

当回弹的超声波信号到达接收器时，它们会引起接收器中的震荡，通过将机械能转化为电能，接收器将接收到的超声波信号转化为电信号。

然后，信号处理器对接收到的电信号进行处理。

首先，它会对信号进行放大和滤波，以去除噪音和提高信号质量。

接着，信号处理器会使用特定的算法将接收到的信号转化为风速数据。

具体的算法包括计算超声波的传播时间差以及测量距离等。

通过这些计算，信号处理器可以获得风速的准确数据。

最后，通过显示器将测得的风速数据显示出来。

显示器可以是LCD屏幕或LED 显示屏等。

通过显示器，用户可以方便地查看并记录测得的风速数据。

超声波风速传感器的优势在于其高精度和无需接触。

相较于机械风速传感器，超声波风速传感器不需要旋转部件，因此具有更长的寿命和更低的维护成本。

此外，超声波风速传感器还可以测量风向和空气温度等参数，可广泛应用于气象、航空、环保等领域。

总之，超声波风速传感器通过利用超声波的特性来测量风速。

通过发射器发射超声波信号，接收器接收回弹的信号，信号处理器对信号进行处理以获得风速数据，最后通过显示器将数据显示出来。

超声波风速传感器的优势在于高精度和无需接触，适用于多种应用场景。

矿用超声波风速风向仪及其测风方法与设计方案

本技术涉及一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法，其中，所述超声波风速风向仪包括主控模块、滤波电路、信号放大电路、按照空间三维坐标系分布的六个超声波收发传感器、数据处理模块、服务器及电脑终端；所述空间三维坐标系中包括三条互相垂直的坐标轴，每条坐标轴上各分布两个相对的超声波收发传感器，每条坐标轴上的两个超声波收发传感器在原点两侧对称分布。

本技术提供的矿用超声波风速风向仪及其测风方法，能够适应矿井恶劣的使用环境。

技术要求1.一种矿用超声波风速风向仪，其特征在于，包括主控模块、滤波电路、信号放大电路、按照空间三维坐标系分布的六个超声波收发传感器、数据处理模块、服务器及电脑终端；所述空间三维坐标系中包括三条互相垂直的坐标轴，每条坐标轴上各分布两个相对的超声波收发传感器，每条坐标轴上的两个超声波收发传感器在原点两侧对称分布；其中：所述主控模块发送开始测量信号，所述滤波电路及所述信号放大电路开始工作，所述超声波收发传感器两两对发测速超声波信号，直至所有超声波收发传感器均完成测速超声波信号的收发；所述主控模块将测定数据传输到所述数据处理模块进行数据处理，以获得矿井巷道的风速风向信息；所述数据处理模块通过RS485或WIFI信号将所述风速风向信息传输到所述服务器及控制电脑终端。

2.根据权利要求1所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述超声波收发传感器包括超声波换能器、收发信号主控模块、声波发射驱动模块、滤波放大模块、时间计算单元、信号处理模块以及回波信号接收模块，其中：所述超声波换能器包括依次相连的缓冲保护层、声波吸收物质和控制电路模块，所述超声波换能器的外壳上涂有隔音涂层，所述缓冲保护层中设置有压电振子，所述控制电路模块通过信号线缆与外部进行数据交互。

3.根据权利要求2所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述缓冲保护层由硬质硅脂材料构成，以保护所述超声波换能器内部的压电振子及控制电路模块不受井下环境的影响。

超声波风速风向仪的电路设计

ａｎｄｐｅａｋｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｔｂｉａｌｉｔｙ，ａｎｄ
１００１９０；２．中国科学院大学，北京１００１９０）（１．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京
摘要：超声波风速风向仪由于其精度高、反应速度快等诸多优势，具有广泛的应用。文中针对基于时差法超声风速风向检测系统对处理器配置要求高、接收信号易受干扰等特点，设计了系统的超声波收发电路、隔离电路、放大滤波电路及
ｉｎｔｅｆｅｒｒｅｄ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒｎｓａｍｉｔ — ｒｅｃｅｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｓｏｌａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎａｎｄｉｆｌｔｒａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ
ＣｉｒｃｕｉｔＤｅｓｉｇｎｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＡｎｅｍｏｍｅｔｅｒ
ＧＡＯＺｈｏｎｇ — ｈｕａ，ＺＨＡＯＺｈａｎ，ＤＵＬｉ — ｄｏｎｇ，ＦＡＮＧＺｈｅｎ，ＷＵＳｈａｏ — ｈｕａ

超声波风速仪原理

超声波风速仪原理
超声波风速仪是一种测量风速的设备，利用超声波的传播特性来实现。

其原理可简单描述如下：
超声波风速仪使用一对超声波传感器，分别作为发射器和接收器。

发射器将超声波信号发送出去，经过空气中的传播后，被接收器接收。

根据超声波信号的传播时间和空气中的声速，可以计算出风速。

具体而言，超声波在空气中传播的速度是已知的，因此可以通过测量超声波信号的传播时间来计算出信号在空气中所传播的距离。

而由于超声波的传播速度与其在介质中的传播速度有关，通过比较超声波在空气中传播的时间和在静止空气中传播的时间，可以得到风速对超声波传播的影响。

通过采集到的超声波信号传播时间和已知的声速数据，可以计算出流经传感器的风速。

通常，超声波风速仪还会采用多对传感器并排布置，以提高测量的准确性和稳定性。

总的来说，超声波风速仪利用超声波的传播特性，通过测量超声波信号在空气中传播的时间，结合已知的声速数据，来计算出风速。

这种原理可在各种环境下应用，并且具有较高的精度和可靠性。

超声波风速风向测试仪的设计

ｖ
／ｉ
ｍ
风向ｅ公式：ｃｏｓ设ｉＦ＿东方向为０ｏ，角度按逆时针方具体原理图见图１，首先ｌ探头作为发射探头，２探头作向增大。为接收探头，进行测量时得到一个时间，然后２探头作为发射将东西方向上风速及公式（２）求得风速代入可得：探头，１探头作为接收探头得到相对方向上的另一个时间。
斟协论坛・２０１３年第７期（下）——
４超声波风速风向测试仪的实现
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、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ｌＯｃｍ～２ｍ，典型应用ＡＤ采样、探头温度测量也路、探头力ｆＪ热电路等。系统方框图为１２ｃｍ～２ｍ。为使测试仪结构小巧，四个探头分别在东、如图４所示。
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
同理可求得南北方向上风速为ｖｗｙ：ｖ＝导（ ÷一士）
进而得出风速Ｖ与ｖ、ｖ、ｖ的关系式：Ｖ，２￣－ｔ－Ｖｗｙ。代入化简可得风速：Ｖｗ＝：一ａｔ１），＋（１１）２（２）

超声风速仪原理及设计方案

1 基于时间差法超声波风速仪的设计
利用超声波测量风速可采用时间差法、相位差法和频率差法等几类方法。

其中，相位差法与测试环境温度有关；频率差法稳定性较差；时间差法与测试环境温度、湿度均无关且相对较稳定，同时，时间(时间差)也是人类至今为止测试精度最高的物理参量，因此。

目前人们普遍采用时间差法来设计、研制风速测试仪。

该项目采用时间差法设计并研制超声波风速测速仪。

2 时间差法超声波风速仪工作原理
基于时间差方法超声波风速测速仪设计
方案如图1所示。

信号控制系统发出一次触
发信号触发x 轴线上一对超声波探头中的一
个，使其发射频率为f 的超声波脉冲串，该脉
冲串经顶部反射面反射后(如图2)，由该方向
的另一超声波探头接收，接收超声波信号经
放大器放大后，由接收机记录超声波传输时
间t 1x ；然后，信号控制系统再发出一次触发
信号触发x 轴线上一对超声波探头中的另一个，而第一次作为发射源的超声波探头作为接收器，重复上述步骤，记录超声波传输时间t 2x ；依据两次测量情况下超声波传输的时间差(t 2x - t 1x )，计算风的x 向速率v x ；同理，信号控制系统分别沿y 方向顺风、逆风各发射一次超声波脉冲串，通过时间差(t 2y - t 1y )计算风的y 向速率v y ；按矢量合成法则，可计算得到风速的速率以及风速方向；最后将计算结果传入显示系统显示。

图1 基于时间差法风速测速仪设计方案
图2 超声波束传输路径。

超声波风速风向仪设计

超声波风速风向仪设计一、介绍二、超声波发射与接收超声波风速风向仪的发射与接收系统是基于超声波传感器的，它包括一个发射器和多个接收器。

发射器通过产生超声波脉冲发射向前方，而接收器则用于接收回波信号。

发射和接收器之间的距离需要保持一定的间隔，以便能够准确测量回波的时间差。

三、测量回波时间差超声波风速风向仪通过测量回波的时间差来计算风速。

当超声波发射器发射脉冲后，它会遇到空气中的颗粒，从而产生回波。

接收器接收到回波信号后，通过测量回波的时间差来计算超声波在空气中传播所需的时间。

回波时间差越小，风速越快；回波时间差越大，风速越慢。

四、计算风速和风向在得到回波时间差后，通过计算风速和风向来实现对风的测量。

风速可以通过回波时间差与超声波在空气中传播的时间之比来计算。

风向则可以通过回波的相位差来计算，相位差的大小和方向可以确定风的来向。

通过将测得的风速和风向输出到显示屏或计算机上，用户可以实时了解当前的风速和风向信息。

五、其他考虑因素除了以上的关键设计要素外，超声波风速风向仪的设计还需要考虑其他因素，如传感器的精度、工作温度范围、防水性能、电池寿命等。

传感器的精度对于测量结果的准确性至关重要，高精度的传感器可以提供更加可靠和精确的测量结果。

工作温度范围需要根据实际应用场景进行选择，以确保仪器在各种环境条件下的正常工作。

防水性能则是用于保护仪器不受外界湿度和水分的侵蚀。

电池寿命则决定了仪器的使用寿命和便携性。

总结：超声波风速风向仪是一种用于测量风速和风向的仪器，其主要原理是通过发射超声波脉冲并测量回波的时间差来计算风速。

通过设计合适的超声波发射与接收系统、准确测量回波时间差、计算风速和风向等，可以实现精确、可靠的风速和风向测量。

同时还需要考虑其他因素如传感器的精度、工作温度范围、防水性能、电池寿命等，以满足各种实际应用场景的需求。

基于STM32F4的超声波测风速风向仪的设计

ＤｉｒｅｃｔｉｏｎＩｎＳｔｒＵｍｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２Ｆ４
ＣＨＵＨａｎｇ．ＺＨＡｏＪｉａ－ｊｉａ
（ＬｏｇｇｉｎｇＳｉｇｎａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅＸｉ ’ ａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ’ ａｎ７１００６５Ｃｈｉｎａ）
楚航．赵佳佳
（西安石油大学测井信号与信息处理研究室，陕西西安７１００６５）
摘要：为改善传统的风向仪与风速仪存在的两者分离的情况，且因其使用旋钮件易造成器件的磨损、易受风沙、雨雪的影响，
需要定期维护等问题。本文提出了一种使用超声波器件对风速风向进行测量的设计理念。通过ＳＴＭ３２发出矩形波，经过
中图分类号：ＴＨ７６５．４，ＴＨ２７４．５
文献标识码：Ａ
文章编号：１００３－７２４１（２０１７）０７ — ０１３３ — ０４
ＤｅｓｉｇｎｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｉｎｇＷｉｎｄＳｐｅｅｄａｎｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｐｅｅｄｉｎｔｒｕｍｅｎｔｓ，ａｎｄｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｅｒａｃａｕｓｅｄｂｙｕｓｅｄｋｎｏｂｓａｎｄｄｕｓｔｗｉｎｄ，ｒａｉｎｓｎｏｗ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｈａｖｅｒｅｇｕｌｒａｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｄｅｓｉｇｎｃｏｎｃｅｐｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｔｏｍｅａｓｕｒｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．ＴｈｒｏｕｇｈＳＴＭ３２ｓｅｎｄｓｒｅｃｔａｎｇｌｕａｒｗａｖｅ，ａｆｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｔｍａｋｅｓｈｅｔｕｌｒａｔｓｏｎｉｃｍｏｄｕｌｅ，ｃｏｍｐｌｅｔｅｓｕｌｒｔａｓｏｎｉｃｔｒｉｇｇｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｏｕｔｅｒｆａｎｗｏｒｋ，ｉｔｍａｋｅｓｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｍｏｄｕｌｅｔｏｒｅｃｅｉｖｅａｃｈｎｉｃｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｆｔｅｒｒｅｃｏｎｉｇｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｏｎ，ｉｔｄｉｓｐｌａｙｓｈｅｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄａａｔｓｕｃｈａｓｗｉｎｄｓｐｅｅｄ，ｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎＳＯａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｉｔｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｓａｌｓｏａｖａｉｌａｂｌｅｔｏａｇｉｃｒｕｌｔｕｒｅ，ｍａｒｉｎｅａｎｄｏｔｈｅｒｉｅｆｌｄｓ．Ｉｔｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｌｆｅｘｉｂｉｌｉｔｙｎｄａａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｒａｔｓｏｎｉｃ；ｐｕｌｓｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ＳＴＭ３２；ｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ