一种高精度超声波风速风向测量系统设计与研究_崔国恒

　·2158·计算机测量与控制.2009.17(11)　Computer Measurement &Control

自动化测试

收稿日期:2009-04-28;　修回日期:2009-06-01。

作者简介:崔国恒(1981-),男,湖北荆州人,博士研究生,主要从事无线电导航方向的研究。

文章编号:1671-4598(2009)11-2158-03 中图分类号:TN966

文献标识码:A

一种高精度超声波风速风向

测量系统设计与研究

崔国恒,曹可劲,朱银兵

(海军工程大学导航工程系,湖北武汉　430033)

摘要:针对传统机械式风速仪测量精度低、使用寿命短、维护成本高等缺点,介绍了一种高精度超声波风速风向测量系统:以C8051F020芯片为核心,利用其强大的控制、采集、运算功能,完成超声波信号的收发控制、时差判断、数据处理等功能,提高风速风向测量的精度和可靠性;对该测量系统的工作原理和方式进行了分析,给出了设计思想和硬件电路,并进行了试验;试验结果表明,所设计的超声波风速风向测量系统灵敏度高、测量范围广、安装维修方便,可在工业、农业、环境观测等领域广泛使用。

关键词:C8051F020;高精度;超声波;测量系统

Design of Ultrasonic Anemometer Measurement System with High Sensitivity Based on C8051F020

Cui Guoheng ,Cao Kejing ,Zhu Yinbing

(Depa rtment of N avig atio n Engineering ,Nav al Univ ersity of Engineering ,Wuhan 430033)

Abstract :T he traditional mechanical anemometers are low s ensitivity ,short using time ,and high u pkeep an d so on .The paper intro -duce a ultrasonic anem ometer m easuremen t sys tem th at th e core chip based on C8051F020,con trolling the u ltrasonic receiving and sending ,time difference judgm ent ,and the data processin g .Th e measuremen t system improves the sen s itivity and reliability greatly .The paper m ark s an analy sis of w orking principle and method ,giving the design ideas and hardw are circuit and doing th e experimen ts with the system .Th e re -s ults indicate that the u ltras onic anem om eter measu re sy stem h as high accuracy ,broad measu rement range and can b e fixed easily .The ultra -s onic anemometer measu rement sy stem can be w idely us ed in fields such as indu stry ,agricultu re an d environment obs ervation etc .

Key words :C8051F020;high s ensitivity ;ultrasonic ;measu rement sy stem

0　引言

风速风向测量系统也可称为风速仪,一直是国内外气象仪

器研究的热点,可以广泛应用到气象、工业、农业、体育等领域。当前使用的风速仪种类繁多,工作原理和性能各不相同,其中使用较多的是机械式风速仪,利用机械部件旋转来敏感风速大小,并结合风向标获得风向[1]。尽管这种方法简单可靠,但由于其测量部分具有机械活动部件,在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损,寿命有限,维护成本较高。另外,其精度不高,体积也较大,使用领域受到制约。本文介绍了一种超声波风速风向测量系统,其测量精度高,测量范围广,使用寿命长,可靠性强,可测量瞬时风速、风向,具有广泛的应用价值[2]。

1　超声波风速风向测量原理

超声波风速风向测量系统是一种利用超声波在空气中沿传

播方向流动时速度会发生改变的原理,测量空气流动速度和方向的系统。若在风场中沿X 方向平行放置两对超声波探头:T 1和T 2为

发射,R1和R2为接收,它们相距为L ,如图1所示。

设无风时空气中的声速为C ,风速V 沿X 方向上的分量为

图1　超声波测速原理图

V x ,沿X 轴正交面上的分量是V y ,按正反方向从T 1到R1、T 2到R2的传播时间分别为:

t 1=C 2-V 2y -V x

C 2

-V 2

·L (1)

t 2=

C 2-V 2y +V x

C 2

-V 2

·L (2)如果距离L 远大于声波的波长,则声波可简化为平面波,这时X 方向的声波传播时间仅与X 方向上的风速有关,则(1)和式(2)可简化为:

t 1=C -V x C 2-V 2

x ·L =L C +V x (3)t 2=

C +V x C 2-V 2x ·L =L C -V x

(4)

由式(3)与式(4)得:

V x =L 21t 2

-1t 2因此,只要测出某个方向上顺风、逆风条件下,从向发射