超声波风速风向测量装置的原理及应用
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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ｌ ５Ｉ。
Ｓｏｎｇ Ｗ ｅｎ－ｃａｎ，Ｆｕ Ｓｈａｏ—ｓｈｕａｉ（Ｃ０ｌｌｅｇｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｑｉｎｇａａｏ ２６６５ｌ０）
ａｎｄ ｍ ｏｒｅ ｗ ｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕＩｌｒａｓ０ｎｉｃ：ｕＩｔｒａｓＯｎｉｃ ｓｅｎｓＯｒｓ：ｕＩｌｒａｓＯｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｌｉ０ｎ：ｐｒＩｎｃｉｐｌｅ
ＣＬＣ ｎｕｍｂｅｒ：ＴＰ２７４．５３ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｃｏｄｅ：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（２０１ ６１０６—０Ｏ４９—０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｅ—
ｎｄ ｖｅｃｔｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍ ｉｎｇ ｙｅａｒｓ，ｉｔ ｗｉｌｌ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｃｏｓｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗｉｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ，ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒ￣ｅ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ，ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ，ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｐａｒｔｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕ—
ｃｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗｉ—
ｍｏｍｅｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｄｅｐｒｅｃｉａｔｉｏｎ．ｔｈｕｓ ｍａｋｉｎｇ ｄａｔａ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃａｎ
ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ Ｉｎ ｆｏｒｅｉｇｎ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ．ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｗｉｎｄ
摘 要 ：传统 的机械式测风仪对风速风 向的测量受到摩擦力 、设备损耗等的制约 ，使得数据精准度不能达到 现代化 的要求 。超声波风速风向测量装置 已在国外普及 ，鉴于其成本较高 ，在国内只有部分地方使用 。该文 简要介绍了超声波的特点及应用 ，超声波传感器的组成和超声波风速风向测量装 置的工作原理 。在未来 的
电子质量 （２０１６第０６期）
超声波 风速 风向测量装置 的原理及应用
超 声波 风 速 风 向测 量 装置 的 原理 及 应 用
Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ａ ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗ ｉｎｄ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ
宋文灿，傅绍帅 （山东ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 技大学 电子通信 与物理学 院，山 东 青岛 ２６６５１０）
超声波 由于其优 良的特性用 在许多检测场合 ：在医 学上有超声波检测骨 密度 和 Ｂ超检测技术等 ；在工 程上 有超声 波对木 材 、钢材 、混凝 土等 内部结构 的无损 检测 ；
Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ：１００３—０１０７（２０ｔ６）０６—００４９—０４
０引 言
风 力发 电 、道路安全 监测 、气 象监测等诸 多领域 都 需要精确 的风矢量数据 ，目前风矢量 的测量 大多使用机 械式风 速仪 ，即风杯式风速仪 和尾翼 式风向仪 。在 自然 风的驱动下 ，风向标转 动 ，可获得 风向 ，风杯转动带动 内 部转轴转动 ，从 而计算 风速 。传统 的风速风 向仪有一定 的优点 ，比如 ：价格低 、结构简单 、有完善 的理论依 据 和 测量算法 。但 是由于机械式 风速仪 存在转动部件 ，容 易 产生磨损 ，易受 冰冻 、雨雪 的干扰 ，空气 中的酸性物质也 会对其造成腐蚀 ，使旋转受阻ｌ】Ｉ。由于存在转动惯性 ，在 风场 中应用时会有显示值偏 高现象 ，在测量瞬时风 的特 性时会有更大误差。此外 ，机 械式风速风 向仪存在启动 风速 ，风速太低 时不能使 风速风 向仪 旋转 ，诸 多原 因导 致传统 的风速风 向仪测量数据不精确 ，使用领域受 到制 约 。随着科学的不断发展 ，各种各样 的新型风速风 向仪 涌 现 ，比如超 声波 风速 仪 、皮 托管 风速 仪 、热线式 风 速
仪 、激光多普勒风速仪 、雷 达多普 勒风速仪ｌ ３ｌ 等 。新兴的 风速风 向仪不会受 到摩擦力 的影 响 ，磨 损率低 、使用 寿 命长 、精确度高。然而超声 波测速仪相对 于其他 几种测 试仪成本低 、工艺较 为简单 、体积小 ，易 于生产 、加 工 、安 装和使用 。所 以超声波测速仪在国外逐步普及。
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ｌ ５Ｉ。
Ｓｏｎｇ Ｗ ｅｎ－ｃａｎ，Ｆｕ Ｓｈａｏ—ｓｈｕａｉ（Ｃ０ｌｌｅｇｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｑｉｎｇａａｏ ２６６５ｌ０）
ａｎｄ ｍ ｏｒｅ ｗ ｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕＩｌｒａｓ０ｎｉｃ：ｕＩｔｒａｓＯｎｉｃ ｓｅｎｓＯｒｓ：ｕＩｌｒａｓＯｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｌｉ０ｎ：ｐｒＩｎｃｉｐｌｅ
ＣＬＣ ｎｕｍｂｅｒ：ＴＰ２７４．５３ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｃｏｄｅ：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（２０１ ６１０６—０Ｏ４９—０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｅ—
ｎｄ ｖｅｃｔｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍ ｉｎｇ ｙｅａｒｓ，ｉｔ ｗｉｌｌ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｃｏｓｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗｉｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ，ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒ￣ｅ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ，ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ，ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｐａｒｔｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕ—
ｃｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗｉ—
ｍｏｍｅｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｄｅｐｒｅｃｉａｔｉｏｎ．ｔｈｕｓ ｍａｋｉｎｇ ｄａｔａ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃａｎ
ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ Ｉｎ ｆｏｒｅｉｇｎ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ．ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｗｉｎｄ
摘 要 ：传统 的机械式测风仪对风速风 向的测量受到摩擦力 、设备损耗等的制约 ，使得数据精准度不能达到 现代化 的要求 。超声波风速风向测量装置 已在国外普及 ，鉴于其成本较高 ，在国内只有部分地方使用 。该文 简要介绍了超声波的特点及应用 ，超声波传感器的组成和超声波风速风向测量装 置的工作原理 。在未来 的
电子质量 （２０１６第０６期）
超声波 风速 风向测量装置 的原理及应用
超 声波 风 速 风 向测 量 装置 的 原理 及 应 用
Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ａ ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗ ｉｎｄ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ
宋文灿，傅绍帅 （山东ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 技大学 电子通信 与物理学 院，山 东 青岛 ２６６５１０）
超声波 由于其优 良的特性用 在许多检测场合 ：在医 学上有超声波检测骨 密度 和 Ｂ超检测技术等 ；在工 程上 有超声 波对木 材 、钢材 、混凝 土等 内部结构 的无损 检测 ；
Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ：１００３—０１０７（２０ｔ６）０６—００４９—０４
０引 言
风 力发 电 、道路安全 监测 、气 象监测等诸 多领域 都 需要精确 的风矢量数据 ，目前风矢量 的测量 大多使用机 械式风 速仪 ，即风杯式风速仪 和尾翼 式风向仪 。在 自然 风的驱动下 ，风向标转 动 ，可获得 风向 ，风杯转动带动 内 部转轴转动 ，从 而计算 风速 。传统 的风速风 向仪有一定 的优点 ，比如 ：价格低 、结构简单 、有完善 的理论依 据 和 测量算法 。但 是由于机械式 风速仪 存在转动部件 ，容 易 产生磨损 ，易受 冰冻 、雨雪 的干扰 ，空气 中的酸性物质也 会对其造成腐蚀 ，使旋转受阻ｌ】Ｉ。由于存在转动惯性 ，在 风场 中应用时会有显示值偏 高现象 ，在测量瞬时风 的特 性时会有更大误差。此外 ，机 械式风速风 向仪存在启动 风速 ，风速太低 时不能使 风速风 向仪 旋转 ，诸 多原 因导 致传统 的风速风 向仪测量数据不精确 ，使用领域受 到制 约 。随着科学的不断发展 ，各种各样 的新型风速风 向仪 涌 现 ，比如超 声波 风速 仪 、皮 托管 风速 仪 、热线式 风 速
仪 、激光多普勒风速仪 、雷 达多普 勒风速仪ｌ ３ｌ 等 。新兴的 风速风 向仪不会受 到摩擦力 的影 响 ，磨 损率低 、使用 寿 命长 、精确度高。然而超声 波测速仪相对 于其他 几种测 试仪成本低 、工艺较 为简单 、体积小 ，易 于生产 、加 工 、安 装和使用 。所 以超声波测速仪在国外逐步普及。