專利名稱：一種高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)速風(fēng)向測量領(lǐng)域，具體涉及一種三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及超聲波三維測風(fēng)方法。
背景技術(shù)：
目前現(xiàn)有的風(fēng)速風(fēng)向儀主要包括機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀、熱敏式風(fēng)速風(fēng)向儀以及超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。其中，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀存在活動(dòng)的機(jī)械部件，對測量環(huán)境要求比較高，在沙塵或者低溫結(jié)冰環(huán)境中無法正常工作，并且因活動(dòng)部件磨損導(dǎo)致使用壽命短。此外，受機(jī)械結(jié)構(gòu)及測量原理的限制，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀的測量精度較低。熱敏式風(fēng)速風(fēng)向儀的基本原理將置于氣流中的物體加熱到一定溫度，通過計(jì)算物體的熱量損失來計(jì)算風(fēng)速。這種熱敏式風(fēng)速風(fēng)向儀受環(huán)境溫度變化影響較大，只適用于溫度變化慢的低風(fēng)速測量，而且實(shí)際應(yīng)用不多。超聲波測量風(fēng)速風(fēng)向沒有活動(dòng)的機(jī)械部件，具有適用于惡劣測量環(huán)境及測量結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)有的超聲波測風(fēng)設(shè)備大都只針對平面的二維風(fēng)速風(fēng)向的測量，沒有對三維的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行測量。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明旨在提供一種三維的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行精確測量的方法。本發(fā)明的目的通過如下手段來實(shí)現(xiàn)?！N高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，采用八只具有超聲波收發(fā)功能的超聲波探頭，高頻與低頻各四個(gè)，兩兩相對地設(shè)置構(gòu)成二副低頻超聲波探頭對TD12和TD34及二副高頻超聲波探頭對TD56和TD78;分別獲取各探頭對中二探頭接收到來自對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間；依據(jù)測量的傳播時(shí)間，以及每個(gè)超聲波探頭對中面面相對的兩個(gè)探頭的間距，獲求自然風(fēng)的三維風(fēng)速風(fēng)向?，F(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用超聲波技術(shù)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測量，沒有活動(dòng)的機(jī)械部件，受環(huán)境的影響很小，可以適用于沙塵及低溫結(jié)冰環(huán)境下的全天候的穩(wěn)定可靠的風(fēng)速風(fēng)向的測量。此外，選用兩種頻率的超聲波進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測！，還可以提高測風(fēng)設(shè)備的抗干擾能力，當(dāng)在低頻超聲波波段存在干擾時(shí)，可以只選用高頻超聲波探頭進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測量；同時(shí)，當(dāng)在高頻超聲波波段存在干擾時(shí)，可以只選用低頻超聲波探頭進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測量。與現(xiàn)有超聲波測風(fēng)方法相比，本發(fā)明能同時(shí)保證各種風(fēng)速條件下的風(fēng)速風(fēng)向的測量精度，并提高測風(fēng)設(shè)備的抗干擾能力。此外，本發(fā)明還公布了使用氣壓對所測風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行修正的一種方法，使得所測風(fēng)速風(fēng)向可以轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速風(fēng)向，使得測風(fēng)設(shè)備可以更有效的應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)等同樣關(guān)心風(fēng)速風(fēng)向與氣壓的領(lǐng)域。


如下
圖1是本發(fā)明提供的原理框圖；圖2是本發(fā)明提供的超聲波探頭的第一種安裝示意圖； 圖3是本發(fā)明提供的超聲波探頭的第二種安裝示意圖4是本發(fā)明提供的新型帶氣壓修正的高精度超聲波測量風(fēng)速風(fēng)向的方法的流程圖； 圖5是本發(fā)明提供的一次測量超聲波在兩對相對的探頭之間傳播的時(shí)間的流程圖； 圖6是本發(fā)明提供的一次測量大氣氣壓的流程圖； 圖7是本發(fā)明提供的低頻超聲波探頭發(fā)射與接收超聲波的波形示意圖； 圖8是本發(fā)明提供的高頻超聲波探頭發(fā)射與接收超聲波的波形示意圖； 圖9是本發(fā)明提供的利用氣壓傳感器進(jìn)行氣壓測量的波形示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步的描述。但是應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下面的實(shí)施方式只是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及應(yīng)用。圖1是本發(fā)明提供的新型帶氣壓修正的高精度超聲波測量風(fēng)速風(fēng)向的方法的硬件組成原理框圖。圖1中四個(gè)低頻的超聲波探頭組成一個(gè)測量單元，利用低頻超聲波測量風(fēng)速風(fēng)向；四個(gè)高頻的超聲波探頭組成另一個(gè)測量單元，利用高頻超聲波測量風(fēng)速風(fēng)向； 超聲波驅(qū)動(dòng)及接收信號處理電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)八個(gè)超聲波探頭，并將八個(gè)超聲波探頭接收到的弱信號進(jìn)行放大濾波等處理；氣壓傳感器負(fù)責(zé)大氣壓強(qiáng)的測量；氣壓驅(qū)動(dòng)電路與氣壓傳感器匹配，驅(qū)動(dòng)氣壓傳感器；中央處理單元控制超聲波驅(qū)動(dòng)及接收信號處理電路與氣壓驅(qū)動(dòng)電路的工作，并對采集到的信號進(jìn)行處理，得到低頻超聲波測量的風(fēng)速風(fēng)向、高頻超聲波測量的風(fēng)速風(fēng)向、氣壓、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下的風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)。圖2是本發(fā)明提供的超聲波探頭的第一種安裝示意圖。低頻超聲波探頭對TD12 和TD34在同一水平面呈正交設(shè)置；所述高頻超聲波探頭對TD56和TD78亦以同樣的方式與低頻超聲波探頭呈45度交替分布。圖2中，第一、第二、第三與第四超聲波探頭為低頻超聲波探頭，第五、第六、第七與第八超聲波探頭為高頻超聲波探頭。第一超聲波探頭與第二超聲波探頭相對成180度安裝，第三超聲波探頭與第四超聲波探頭相對成180度安裝，同一頻率的超聲波探頭對中面面相對的兩個(gè)探頭的間距相等。第一超聲波探頭與第二超聲波探頭的間距和第三超聲波探頭與第四超聲波探頭的間距相等。第五超聲波探頭與第六超聲波探頭相對成180度安裝，第七超聲波探頭與第八超聲波探頭相對成180度安裝，且第五超聲波探頭與第六超聲波探頭的間距和第七超聲波探頭與第八超聲波探頭的間距相等。八個(gè)超聲波探頭均勻分布于同一水平面的八個(gè)方向。圖3是本發(fā)明提供的超聲波探頭的第二種安裝示意圖。低頻超聲波探頭對TD12 和TD34在同一水平面呈正交設(shè)置；所述高頻超聲波探頭對TD56和TD78亦以同樣的方式與低頻超聲波探頭對疊合分布。圖3中，第一、第二、第三與第四超聲波探頭為低頻超聲波探頭，第五、第六、第七與第八超聲波探頭為高頻超聲波探頭。第一超聲波探頭與第二超聲波探頭相對成180度安裝，第三超聲波探頭與第四超聲波探頭相對成180度安裝，且第一超聲波探頭與第二超聲波探頭的間距和第三超聲波探頭與第四超聲波探頭的間距相等。第五超聲波探頭與第六超聲波探頭相對成180度安裝，第七超聲波探頭與第八超聲波探頭相對成180度安裝，且第五超聲波探頭與第六超聲波探頭的間距和第七超聲波探頭與第八超聲波探頭的間距相等。八個(gè)探頭低頻與高頻一組，均勻分布于同一水平面的四個(gè)方向。在此需要指出的是圖2與圖3給出的安裝圖只是僅為本發(fā)明給出較佳的兩種安裝示意圖，任何在不改變本發(fā)明原理的前提下所做的改變均涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。例如低頻超聲波探頭對TD12和TD34與高頻超聲波探頭對TD56和TD78可不在同一安裝平面，超聲波探頭如果傾斜安裝時(shí)，需要提供一個(gè)反射超聲波的物理平面，使得相對的兩對探頭可以收到對方發(fā)送的超聲波信號。下面結(jié)合圖1、圖2、圖3與圖4來闡述本新型帶氣壓修正的高精度超聲波測量風(fēng)速風(fēng)向的方法，具體包括以下操作步驟
步驟1 用TD12內(nèi)相對成180度的第一超聲波收發(fā)裝置(低頻)和第二超聲波收發(fā)裝置 (低頻)分別測量接收到來自于對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間T12和T21 ；
步驟2 用TD34內(nèi)相對成180度的第三超聲波收發(fā)裝置(低頻)和第四超聲波收發(fā)裝置 (低頻)分別測量接收到來自于對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間T34和T43 ；
步驟3 用TD56內(nèi)相對成180度的第五超聲波收發(fā)裝置(高頻)和第六超聲波收發(fā)裝置 (高頻)分別測量接收到來自于對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間T56和T65 ；
步驟4 用TD78內(nèi)相對成180度的第七超聲波收發(fā)裝置(高頻)和第八超聲波收發(fā)裝置 (高頻)分別測量接收到來自于對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間T78和T87 ； 步驟5 利用氣壓傳感器測量大氣氣壓；
步驟6 根據(jù)測量到的延時(shí)T12、T21, T34、T43、T56, T65, T78與T87，以及每兩對相對收發(fā)裝置間的距離分別計(jì)算出使用低頻超聲波時(shí)的風(fēng)速與風(fēng)向與使用高頻超聲波時(shí)的風(fēng)速與風(fēng)向；
步驟7 當(dāng)兩組風(fēng)速有一個(gè)小于某一閥值風(fēng)速時(shí)選用低頻超聲波時(shí)測量的風(fēng)速與風(fēng)向，當(dāng)兩組風(fēng)速都大于某一閥值風(fēng)速時(shí)選用高頻超聲波時(shí)測量的風(fēng)速與風(fēng)向；
步驟8:根據(jù)測量到的大氣氣壓與上一步中的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下的絕對風(fēng)速風(fēng)向；
步驟9 輸出風(fēng)速風(fēng)向根據(jù)實(shí)際需求選用利用大氣氣壓修正前或者修正后的風(fēng)速風(fēng)向。其中，一次測量超聲波在兩對相對的探頭之間傳播時(shí)間的流程圖見圖5 ；測量大氣氣壓的流程圖見圖6。流程圖中的時(shí)間僅供參考，具體可以根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況而定。在空氣中傳播的超聲波因擴(kuò)散、散射及吸收等會(huì)引發(fā)衰減，衰減系數(shù) 按Kirchoff理論為
權(quán)利要求
1.一種高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，采用八只具有超聲波收發(fā)功能的超聲波探頭，高頻與低頻各四個(gè)，兩兩相對地設(shè)置構(gòu)成二副低頻超聲波探頭對TD12和TD34及二副高頻超聲波探頭對TD56和TD78;分別獲取各探頭對中二探頭接收到來自對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間；依據(jù)測量的傳播時(shí)間，以及每個(gè)超聲波探頭對中面面相對的兩個(gè)探頭的間距，獲求自然風(fēng)的三維風(fēng)速風(fēng)向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于，所述分別獲取各探頭對中二探頭接收到來自對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間包含包括如下步驟1)、用TD12的二超聲波探頭相互測量接收到來自于對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間T12 和 T21 ；2)、用TD34的二超聲波探頭相互測量接收到來自于對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間T34 和 T43 ；3)、用TD56的二超聲波探頭相互測量接收到來自于對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間T56 和 T65 ；4)、用TD78的二超聲波探頭相互測量接收到來自于對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間T78 和 T87 ；5)、利用氣壓傳感器測量大氣氣壓；6)、根據(jù)測量到的延時(shí)T12、T21、T34、T43、T56、T65、IV8與T87，以及每個(gè)超聲波探頭對中面面相對的兩個(gè)探頭的間距分別計(jì)算出使用低頻超聲波時(shí)的風(fēng)速與風(fēng)向與使用高頻超聲波時(shí)的風(fēng)速與風(fēng)向；7)、當(dāng)兩組風(fēng)速有一個(gè)小于某一閥值風(fēng)速時(shí)選用低頻超聲波時(shí)測量的風(fēng)速與風(fēng)向，當(dāng)兩組風(fēng)速都大于某一閥值風(fēng)速時(shí)選用高頻超聲波時(shí)測量的風(fēng)速與風(fēng)向；8)、根據(jù)測量到的大氣氣壓與上一步中的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下的絕對風(fēng)速風(fēng)向；9)、輸出風(fēng)速風(fēng)向根據(jù)實(shí)際需求選用利用大氣氣壓修正前或者修正后的風(fēng)速風(fēng)向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于，所述低頻超聲波探頭對TD12和TD34在同一水平面呈正交設(shè)置；所述高頻超聲波探頭對TD56 和TD78亦以同樣的方式與低頻超聲波探頭對疊合分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于，所述低頻超聲波探頭對TD12和TD34在同一水平面呈正交設(shè)置；所述高頻超聲波探頭對TD56 和TD78亦以同樣的方式與低頻超聲波探頭呈45度交替分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述之高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于，所述低頻超聲波探頭對TD12和TD34與高頻超聲波探頭對TD56和TD78可不在同一安裝平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述之高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于，同一頻率的超聲波探頭對中面面相對的兩個(gè)探頭的間距相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度抗干擾超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，采用八只具有超聲波收發(fā)功能的超聲波探頭，高頻與低頻各四個(gè)，兩兩相對地設(shè)置構(gòu)成二副低頻超聲波探頭對TD12和TD34及二副高頻超聲波探頭對TD56和TD78；分別獲取各探頭對中二探頭接收到來自對方發(fā)送的超聲波的傳播時(shí)間；依據(jù)測量的傳播時(shí)間，以及每個(gè)超聲波探頭對中面面相對的兩個(gè)探頭的間距，獲求自然風(fēng)的三維風(fēng)速風(fēng)向。本發(fā)明可以對測量三維的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行精確求算，選用兩種頻率的超聲波進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測量，提高了測風(fēng)設(shè)備的抗干擾能力，能適用于惡劣環(huán)境條件下的全天候風(fēng)速風(fēng)向測量。
文檔編號G01P5/24GK102288779SQ201110123549
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者吳宗玲, 周國華, 張宇行, 曾德兵, 潘煒, 苗強(qiáng), 閆連山, 陳娟子 申請人:成都阜特科技有限公司, 西南交通大學(xué)