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。

4.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，所述压电振子由具备压电效应的复合晶体材料制成，以将所述超声波换能器发射声波的电信号转换为机械振动信号，并将接收到的机械振动信号转换为电信号。

5.一种应用于如权利要求1至4中任一所述的矿用超声波风速风向仪的测风方法，其特征在于，所述方法包括：
超声波收发传感器中的收发信号主控模块控制声波发射驱动模块产生声波发射电信号，并经由滤波放大模块对所述电信号处理以后传输到超声波换能器处，以发射超声波信号；
所述超声波信号在传输过程中，遇到障碍物反射，形成超声回波信号；
超声波收发传感器中的回波信号接收模块接收到所述超声回波信号，并将所述超声回波信号转换为电信号，转换后的电信号经由滤波放大模块滤除噪音信号及放大处理后，经由信号处理模块判断处理，最后经由时间计算单元记录超声波信号收发所需的时间，以得到超声波换能器到障碍物之间的距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，按照下述公式确定风速在空间三维坐标系中三个坐标轴上的分量：
其中，Vi表示风速在其中一个坐标轴上的分量，li表示在该坐标轴上两个超声波收发传感器之间的距离，t2表示超声波在逆风中的传播时间，t1表示超声波在顺风中的传播时间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将风速在所述三个坐标轴上的分量进行矢量合成，以得到所述风速在空间三维坐标系中的速度值及风向值。

技术说明书
一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法
技术领域
本技术属于测风技术领域，涉及一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法。

背景技术
矿井通风为煤矿用风地点输送新鲜空气，并排出污浊空气，是矿井安全和矿工工作环境的基础保障。

为及时准确掌握井下通风系统运行状况，对矿井通风巷道进行风速、风量测量是煤矿的日常工作，需要投入大量的人力和时间。

而先进的测量装置和测风方法可以提高风速、风量测量精度和测风效率。

现阶段，我国矿井主要采用叶轮机械式风速表对用风点的风速、风量测量。

测量过程中，叶轮机械式风速表叶片在风流驱动下发生转动，带动风速表内部转轴运动进而实现风速、风量的测量。

但由于机械式风速表的设计特点，启动风速较高(一般在0.2m/s以上)，不能满足《煤矿安全规程》中岩巷风速不小于0.15m/s的要求；机械式风速表采用巷道断面线路法测量平均风速，对测量人员经验要求高，测量精度受人为因素影响大；测量需要一分钟，且配备秒表，测量时间过长；测量过程中易受井下潮湿、多尘等复杂恶劣环境影响，造成叶片腐蚀。

以上诸多原因导致在投入大量人力和时间的情况下仍不能准确掌握通风系统状况。

基于以上因素，在矿井需风地点风速、风量的测量过程中，迫切需要一种性能稳定、启动风速低、测量精度高，能适应矿井恶劣使用环境的风速风向测量仪器。

技术内容
有鉴于此，本技术的目的在于提供一种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。

为达到上述目的，本技术提供如下技术方案：
一种矿用超声波风速风向仪，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；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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，所述压电振子由具备压电效应的复合晶体材料制成，以将所述超声波换能器发射声波的电信号转换为机械振动信号，并将接收到的机械振动信号转换为电信号。

一种测风方法，所述方法包括：
超声波收发传感器中的收发信号主控模块控制声波发射驱动模块产生声波发射电信号，并经由滤波放大模块对所述电信号处理以后传输到超声波换能器处，以发射超声波信号；
所述超声波信号在传输过程中，遇到障碍物反射，形成超声回波信号；
超声波收发传感器中的回波信号接收模块接收到所述超声回波信号，并将所述超声回波信号转换为电信号，转换后的电信号经由滤波放大模块滤除噪音信号及放大处理后，经由信号处理模块判断处理，最后经由时间计算单元记录超声波信号收发所需的时间，以得到超声波换能器到障碍物之间的距离。

进一步地，按照下述公式确定风速在空间三维坐标系中三个坐标轴上的分量：
其中，Vi表示风速在其中一个坐标轴上的分量，li表示在该坐标轴上两个超声波收发传感器之间的距离，t2表示超声波在逆风中的传播时间，t1表示超声波在顺风中的传播时间。

进一步地，所述方法还包括：
将风速在所述三个坐标轴上的分量进行矢量合成，以得到所述风速在空间三维坐标系中的速度值及风向值。

本技术的有益效果在于：
本技术提出的矿用超声波风速风向仪及其测风方法，采用信息处理技术，实时准确测量出井下待测地点的风速、风向等信息，从而解决了传统叶轮机械式风速表适用范围窄、测量结果误差大且启动风速高等问题，能够适应矿井恶劣的使用环境。

附图说明
为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本技术提供如下附图进行说明：
图1是本技术一种矿用超声波风速风向仪的整体结构框图；
图2是本技术所述超声波换能器的结构图；
图3是超声波收发传感器工作原理图；
图4是超声波收发传感器探头布置结构图；
图5是风矢量合成示意图；
图6是超声波收发出传感器测风方法图。

具体实施方式
下面将结合附图，对本技术的优选实施例进行详细的描述。

请参阅图1，本申请实施方式提供一种矿用超声波风速风向仪，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；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。

请参阅图3，在本实施方式中，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：
请参阅图2，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。

在本实施方式中，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。

在本实施方式中，所述压电振子由具备压电效应的复合晶体材料制成，以将所述超声波换能器发射声波的电信号转换为机械振动信号，并将接收到的机械振动信号转换为电信号。

为了防止环境噪音及压电振子发射的超声波对接收的超声波信号造成干扰，在超声波换能器内部及四周分别设计有声波吸收物质及隔音涂层，用来隔绝环境噪音及压电振子衍射到换能器内部的声波信号，进而实现噪音声波脉冲阻尼小于3×10-5s
本申请还提供一种应用于上述矿用超声波风速风向仪的测风方法，所述方法包括：
超声波收发传感器中的收发信号主控模块控制声波发射驱动模块产生声波发射电信号，并经由滤波放大模块对所述电信号处理以后传输到超声波换能器处，以发射超声波信号；
所述超声波信号在传输过程中，遇到障碍物反射，形成超声回波信号；
超声波收发传感器中的回波信号接收模块接收到所述超声回波信号，并将所述超声回波信号转换为电信号，转换后的电信号经由滤波放大模块滤除噪音信号及放大处理后，经由信号处理模块判断处理，最后经由时间计算单元记录超声波信号收发所需的时间，以得到超声波换能器到障碍物之间的距离。

在本实施方式中，按照下述公式确定风速在空间三维坐标系中三个坐标轴上的分量：
其中，Vi表示风速在其中一个坐标轴上的分量，li表示在该坐标轴上两个超声波收发传感器之间的距离，t2表示超声波在逆风中的传播时间，t1表示超声波在顺风中的传播时间。

在本实施方式中，所述方法还包括：
将风速在所述三个坐标轴上的分量进行矢量合成，以得到所述风速在空间三维坐标系中的速度值及风向值。

具体地，请参阅图4至图6，超声波收发传感器工作时，首先由收发信号主控模块控制声波发射驱动模块产生声波发射电信号，并经由滤波放大模块对信号处理以后传输到超声波换能器处发射超声波信号，信号在传输过程中，遇到障碍物反射，形成超声回波，回波信号接收模块接收到回波脉冲，并将声波信号转换为电信号经由滤波放大电路模块滤除噪音信号及放大处理，经由信号处理模块判断处理，最后经由时间计算单元记录超声波信号收发所需时间，进而得到待测换能器到障碍物之间的距离。

本技术测量矿井巷道网络风速风向信息过程中，六只超声波收发传感器如图4所示，分别沿三维空间坐标系中的三个坐标轴两两相对布置。

利用直接时差原理测量风速风向大小，如图5所示：设风速V在三维空间坐标轴上的分量分别为Vx、Vy、Vz，取立体空间中一点V(x、y、z)，假设t为环境风由空间坐标原点传输到位置V所需要的时间，c为超声波在环境中的传播速度，由于在实际测风过程中，两两相对布置传感器的距离远大于声波波长，则风在传播过程中满足：
(x-vxt)2+(y-vyt)2+(z-vzt)2＝c2t2
如图6所示：具体到x轴上，假设P’(x、y、z)＝P’(l、0、0)，l为x轴上两个超声波收发传感器之间的距离，带入上式化简可得：
假设超声波在顺风和逆风中的传播时间分别为t1、t2，则上式可表示为：
两式相减，化简可得：
同理，分别求出风速V在y轴和z轴上的分量Vy、Vz，最后进行矢量合成，即可得到风在三维空间坐标系中的风速及风向信息。

试验验证：
(1)标准风洞校准测试
为了检验本技术的产品稳定性及应用效果，将本技术置于重庆市国家仪器仪表标准实验风洞进行风速校准测试，风洞试验断面为矩形，置于风洞中待测的风速风向仪迎风面积仅为风洞截面面积的3.4％，符合置于风洞中被测试物体面积不应大于风洞工作截面面积4～5％的工业技术规范标准。

在对仪器进行标准风速校准的试验过程中，风洞采用微压计和皮托管测风，测速计算公式为：
式中：v实-真实风速，m/s；g-重力加速度，9.8m/s；h动-微压计测量动压值，毫米水柱；ξ-皮托管校准系数；γ-空气重率，kg/m3。

试验过程中，通过调整风机的工作频率范围获得不同的风速大小，实测风速风向仪的输出数值与真实环境中风速的数值。

(2)与煤矿现有叶轮机械式风表对比测试
以本技术在淮南矿业集团顾北煤矿的应用为例，通过与煤矿现有叶轮机械风速表进行井下、地面多点实地测量得到如表1所示数据。

表1本技术与叶轮机械式风速表的对比应用情况
由试验测试结果可知，本技术单点测风稳定性明显优于使用传统叶轮机械式风速表进行风速测量得到测试数据。

同时，单点测试时间由原来的60s缩减为现在的25s，单点测试时间节省58.4％。

本技术的有益效果在于：
本技术提出的矿用超声波风速风向仪及其测风方法，采用信息处理技术，实时准确测量出井下待测地点的风速、风向等信息，从而解决了传统叶轮机械式风速表适用范围窄、测量结果误差大且启动风速高等问题，能够适应矿井恶劣的使用环境。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本技术的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本技术进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本技术权利要求书所限定的范围。