本發(fā)明屬于微氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種同步差分風(fēng)速傳感器。

背景技術(shù)：

在風(fēng)速測(cè)量方面，目前常用的風(fēng)速監(jiān)測(cè)傳感器主要有葉輪式、壓差式、熱球式和超聲波式風(fēng)速傳感器。壓差式和熱球式風(fēng)速傳感器在戶外使用極易受到環(huán)境影響，一般應(yīng)用在室內(nèi)。葉輪式傳感器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易磨損并且在冰凍惡劣天氣條件下測(cè)量不準(zhǔn)確。超聲波式風(fēng)速傳感器的工作原理主要采用一發(fā)一收，在惡劣天氣環(huán)境下聲波在傳播路徑上容易受到雨水或沙塵的干擾形成衰減、反射，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種同步差分風(fēng)速傳感器，其目的在于解決現(xiàn)有風(fēng)速傳感器在極端惡劣環(huán)境下測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性低的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種同步差分風(fēng)速傳感器，包括換能器組，推挽模塊，信號(hào)處理模塊，高速同步采樣模塊，同步差分控制模塊以及通信接口；

其中，換能器組的輸入接口與推挽模塊第一端相連，信號(hào)處理模塊的第一端與換能器組的輸出接口相連，高速同步采樣模塊的第一端與信號(hào)處理模塊的第二端相連，同步差分控制模塊的第一端與信號(hào)處理模塊的第三端相連，同步差分控制控制模塊的第二端與高速同步采樣模塊的第二端相連；推挽模塊的第二端與控制模塊的第三端相連；通信接口與控制模塊的第四端相連；

其中，推挽模塊用于在同步差分控制模塊的控制下生成脈沖控制信號(hào)；換能器組用于在推挽模塊輸出的脈沖控制信號(hào)的作用下發(fā)送與接收測(cè)量聲波；

信號(hào)處理模塊用于對(duì)換能器組輸出的脈沖電壓信號(hào)進(jìn)行濾波放大與限幅處理；

高速同步采樣模塊用于采集信號(hào)處理模塊輸出的脈沖電平信號(hào)；

同步差分控制模塊用于根據(jù)高速同步采樣模塊輸出的電壓幅值數(shù)字信號(hào)和信號(hào)處理模塊輸出的脈沖電平模擬信號(hào)進(jìn)行并行中斷檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)時(shí)差生成用于控制推挽模塊的電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)；并根據(jù)多種多路信號(hào)時(shí)差，計(jì)算風(fēng)速值；通信接口用于將風(fēng)速值計(jì)算結(jié)果發(fā)送到終端設(shè)備。

優(yōu)選的，上述同步差分風(fēng)速傳感器，其換能器組包括3個(gè)大波束角超聲波換能器和1個(gè)無(wú)方向性柱形超聲波換能器；其中，3個(gè)大波束角超聲波換能器分別設(shè)于一平面等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)處，1個(gè)無(wú)方向性柱形超聲波換能器設(shè)于上述等邊三角形的中心位置處。

優(yōu)選的，上述同步差分風(fēng)速傳感器，大波束角超聲波換能器的波束角均大于120°，其中任意一個(gè)大波束角超聲波換能器的波束角能夠覆蓋其它兩個(gè)大波束角超聲波換能器；無(wú)方向性柱形超聲波換能器可以360°收發(fā)大波束角超聲波換能器發(fā)射的聲波。

優(yōu)選的，上述同步差分風(fēng)速傳感器，信號(hào)處理模塊包括4組并列的信號(hào)處理電路，推挽模塊包括并列的4組d類推挽電路；換能器組的4個(gè)超聲波換能器的輸入端通過(guò)換能器組的輸入接口與4組d類推挽電路一一對(duì)應(yīng)地相連，換能器組的4個(gè)超聲波換能器的輸出端通過(guò)換能器組的輸出接口分別與4組信號(hào)處理電路一一對(duì)應(yīng)地相連；

信號(hào)處理電路的數(shù)量、d類推挽電路的數(shù)量與換能器組所包括的超聲波換能器的數(shù)量相匹配；其中，換能器組所包括的超聲波換能器包括大波束角超聲波換能器和無(wú)方向性柱形超聲波換能器。

優(yōu)選的，上述同步差分風(fēng)速傳感器，其同步差分控制模塊對(duì)推挽模塊的各組d類推挽電路同步差分發(fā)送電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)信號(hào)處理模塊的輸出信號(hào)及高速同步采樣模塊的輸出信號(hào)同步差分接收；

其中，同步差分發(fā)送是指同一時(shí)刻調(diào)制2組d類推挽電路驅(qū)動(dòng)各自連接的大波束角超聲波換能器與無(wú)方向性柱形超聲波換能器,由1個(gè)處于不同位置的大波束角超聲波換能器與無(wú)方向性柱形超聲波換能器同一時(shí)刻發(fā)送測(cè)量聲波；

其中，同步差分接收是指同步差分控制模塊接收高速同步采樣模塊同一時(shí)刻采集多路超聲波換能器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)、以及多組信號(hào)處理電路輸出的脈沖電平信號(hào)；差分接收是指由3個(gè)處于不同位置的大波束角超聲波換能器與無(wú)方向性柱形超聲波換能器同時(shí)刻接收測(cè)量聲波，其中的3個(gè)為處于平面等邊三角形的頂點(diǎn)處的大波束角超聲波換能器，1個(gè)為處于上述等邊三角形的中心位置處的無(wú)方向性柱形超聲波換能器。

優(yōu)選的，上述同步差分風(fēng)速傳感器，其信號(hào)處理電路包括依次連接的限幅電路、運(yùn)放放大電路、運(yùn)放濾波電路、對(duì)數(shù)放大器和電平比較電路；

其中，限幅電路用于將輸入的脈沖電壓信號(hào)通過(guò)電容隔離直流電平后進(jìn)行限幅，利用硅二極管的死區(qū)電壓將輸入電壓限位到預(yù)設(shè)值；

運(yùn)放放大電路用于將脈沖電壓信號(hào)放大；

運(yùn)放濾波電路用于對(duì)脈沖電壓信號(hào)進(jìn)行有源濾波處理；

對(duì)數(shù)放大器用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行電平限幅壓縮處理；其輸出信號(hào)分為兩路，一路發(fā)送到高速同步采樣模塊，另一路發(fā)送到電平比較電路；

電平比較電路用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行電平邊沿檢測(cè)，生成與輸入信號(hào)同時(shí)長(zhǎng)的高電平脈沖。

優(yōu)選的，上述同步差分風(fēng)速傳感器，通過(guò)同步差分控制模塊對(duì)高速同步采樣模塊進(jìn)行通信控制，并根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)時(shí)差生成用于控制推挽模塊的電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)；并根據(jù)多種多路信號(hào)時(shí)差，計(jì)算風(fēng)速值；

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供的同步差分風(fēng)速傳感器，其換能器組具有多路發(fā)送和接收測(cè)量聲波的傳播路徑，并由硬件同步差分控制模塊電路構(gòu)成同步采樣和同步發(fā)送電路；基于其硬件結(jié)構(gòu)，測(cè)1次風(fēng)速值需3組測(cè)量數(shù)據(jù)；1組測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)生成8個(gè)風(fēng)速值，這8個(gè)風(fēng)速值由5個(gè)聲波傳輸路徑生成，若其中任意一傳輸路徑受到外物影響聲波傳輸時(shí)間，在本發(fā)明的這種設(shè)計(jì)中，可通過(guò)其他路徑值對(duì)比確認(rèn)發(fā)現(xiàn)；由此實(shí)現(xiàn)在源頭上確定測(cè)量聲波信號(hào)在傳播路徑上的差異，就可以準(zhǔn)確確定異常干擾的聲波信號(hào)；

(2)由于超聲波在傳播過(guò)程中遇到雨水、沙塵暴、冰雪會(huì)產(chǎn)生反射、折射、衍射、散射等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致超聲波換能器接收轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)弱、信號(hào)干擾脈沖、或者會(huì)產(chǎn)生混疊；本發(fā)明提供的同步差分風(fēng)速傳感器，由于可獲取的聲波傳輸路徑數(shù)據(jù)樣本數(shù)量多、樣本結(jié)果可重復(fù)、可對(duì)比、可推導(dǎo)，因此極端惡劣環(huán)境下測(cè)量采集的結(jié)果可信度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性更高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的同步差分風(fēng)速傳感器的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的換能器組的示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的同步差分風(fēng)速傳感器的d類推挽電路示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的同步差分風(fēng)速傳感器的信號(hào)處理電路示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的同步差分風(fēng)速傳感器的控制與接收邏輯示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-第一大波束角超聲波換能器、2-第二大波束角超聲波換能器、3-第三大波束角超聲波換能器、4-無(wú)方向性柱形超聲波換能器、5-同步差分控制模塊、6-推挽模塊、7-信號(hào)處理模塊、8-高速同步采樣模塊、17-超聲波換能器。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實(shí)施例提供的同步差分風(fēng)速傳感器，其系統(tǒng)如圖1所示，包括換能器組，推挽模塊，信號(hào)處理模塊，高速同步采樣模塊，同步差分控制模塊以及rs485接口；

其中，換能器組的輸入接口與推挽模塊第一端相連，信號(hào)處理模塊的第一端與換能器組的輸出接口相連，高速同步采樣模塊的第一端與信號(hào)處理模塊的第二端相連，同步差分控制模塊的第一端與信號(hào)處理模塊的第三端相連，同步差分控制控制模塊的第二端與高速同步采樣模塊的第二端相連；推挽模塊的第二端與控制模塊的第三端相連；rs485接口與控制模塊的第四端相連。

本實(shí)施例中，換能器組包括4個(gè)超聲波換能器，分別是3個(gè)大波束角超聲波換能器和1個(gè)無(wú)方向性柱形超聲波換能器；信號(hào)處理模塊包括4組并列的信號(hào)處理電路，推挽模塊包括并列的4組d類推挽電路；換能器組的4個(gè)超聲波換能器的輸入端通過(guò)換能器組的輸入接口與4組d類推挽電路一一對(duì)應(yīng)地相連，換能器組的4個(gè)超聲波換能器的輸出端通過(guò)換能器組的輸出接口分別與4組信號(hào)處理電路一一對(duì)應(yīng)地相連；同步差分控制模塊采用fpga實(shí)現(xiàn)。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的換能器組的示意圖；換能器組中，第一大波束角超聲波換能器1、第二大波束角超聲波換能器2、第三大波束角超聲波換能器3分別設(shè)于一平面等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)處；無(wú)方向性柱形超聲波換能器4設(shè)于上述等邊三角形的中心位置處。

3個(gè)大波束角超聲波換能器的波束角均大于120°，其中任意一個(gè)大波束角超聲波換能器的波束角能夠覆蓋其它兩個(gè)大波束角超聲波換能器；譬如圖2中所示的：第一大波束角超聲波換能器1發(fā)出的聲波的覆蓋范圍可超過(guò)邊長(zhǎng)9、10的范圍；無(wú)方向性柱形超聲波換能器4可以360°收發(fā)3個(gè)大波束角超聲波換能器發(fā)射的聲波。

換能器組所包括的3個(gè)大波束角超聲波換能器和1個(gè)無(wú)方向性柱形超聲波換能器都具備發(fā)送和接收超聲波的功能；譬如：第一大波束角超聲波換能器1與無(wú)方向性柱形超聲波換能器4發(fā)送測(cè)量聲波，超聲波換能器1、2、3、4接收測(cè)量聲波；工作時(shí)，每測(cè)量一次風(fēng)速，由第一大波束角超聲波換能器1、第二大波束角超聲波換能器2、第三大波束角超聲波換能器3中的一個(gè)輪流與無(wú)方向性柱形超聲波換能器4同步發(fā)送；收發(fā)6次獲得24組數(shù)據(jù)。

3個(gè)大波束角超聲波換能器和1個(gè)無(wú)方向性柱形超聲波換能器在各自連接的d類推挽電路的脈沖控制信號(hào)作用下發(fā)送測(cè)量聲波，并接收所發(fā)送的測(cè)量聲波；超聲波換能器組轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出到各自連接的信號(hào)處理電路；信號(hào)處理電路對(duì)接送到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，輸出信號(hào)一分為二，其中一路輸出到同步差分控制模塊進(jìn)行并行中斷檢測(cè)，另一路輸出到高速同步采樣模塊進(jìn)行并行電壓檢測(cè)；同步差分控制模塊生成d類推挽電路控制信號(hào)，同步差分控制模塊根據(jù)接收的信號(hào)處理計(jì)算得到風(fēng)速值，通過(guò)rs485接口發(fā)送出去。

在本實(shí)施例中，同步差分控制模塊對(duì)推挽模塊的d類推挽電路的控制方式為同步差分發(fā)送，同步差分接收；可調(diào)制4組互補(bǔ)信號(hào)輸出到d類推挽電路；同步差分發(fā)送具體為：同步是指同一時(shí)刻調(diào)制2路d類推挽電路驅(qū)動(dòng)各自連接的大波束角超聲波換能器或無(wú)方向性柱形超聲波換能器；差分發(fā)送是指由1個(gè)處于不同位置的大波束角超聲波換能器與無(wú)方向性柱形超聲波換能器同一時(shí)刻發(fā)送測(cè)量聲波。

同步差分接收具體為：其中的同步是指同步差分控制模塊控制接收高速同步采樣模塊同一時(shí)刻采集多路超聲波轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，差分接收是指由4個(gè)處于不同位置的大波束角超聲波換能器與無(wú)方向性柱形超聲波換能器同時(shí)刻接收測(cè)量聲波，其中的3個(gè)為處于平面等邊三角形的頂點(diǎn)處的大波束角超聲波換能器，1個(gè)為處于上述等邊三角形的中心位置處的無(wú)方向性柱形超聲波換能器。

本實(shí)施例中，d類推挽電路如圖3所示，包括第一電阻r1，第二電阻r2，第一三極管q1，第二三極管q2，變壓器t1，第一電容c19，超聲波換能器17，高頻電感l(wèi)1和第二電容c2；

同步差分控制模塊輸出高低互補(bǔ)的ttl電平v1、v2到d類推挽電路電平v1經(jīng)第一三極管q2電平放大、電平v2經(jīng)第二三極管q2放大，放大后的電平推動(dòng)變壓器，變壓器輸出電壓到電容c19，電容c19連接超聲波換能器17；由高頻電感l(wèi)1和c2構(gòu)成阻抗匹配電路以提高發(fā)射功率因數(shù)；匹配電路并聯(lián)在超聲波換能器兩端，超聲波換能器的正極與信號(hào)處理電路相連。

本實(shí)施例中，信號(hào)處理電路如圖4所示，包括依次連接的限幅電路、運(yùn)放放大電路、運(yùn)放濾波電路、對(duì)數(shù)放大器和電平比較電路；限幅電路中，通過(guò)電容隔離直流電平連接到限流電阻到二極管，二極管將輸入電壓限位到預(yù)設(shè)值0.7v；運(yùn)放放大電路用于將信號(hào)放大，放大的信號(hào)通過(guò)運(yùn)放濾波電路發(fā)送到對(duì)數(shù)放大器，對(duì)數(shù)放大器用于將信號(hào)壓縮并輸出，其輸出信號(hào)分為兩路，一路發(fā)送到高速同步采樣模塊，另一路發(fā)送到電平比較電路。本實(shí)施例中，高速同步采樣模塊通過(guò)同步差分控制模塊進(jìn)行通信控制；信號(hào)處理電路的電平比較電路的輸出信號(hào)發(fā)送到同步差分控制模塊進(jìn)行并行中斷檢測(cè)。

圖5所示，是實(shí)施例中的同步差分控制模塊完成一組風(fēng)速測(cè)量控制與接收邏輯示意圖；本實(shí)施例中，通過(guò)下式獲取風(fēng)速：

vw＝d/2×(1/ct1-1/ct2)；

其中，vw是指風(fēng)速，d是指測(cè)量聲波傳輸路徑距離，ct1是指測(cè)量聲波順風(fēng)傳送時(shí)間，ct2是指測(cè)量聲波逆風(fēng)傳送時(shí)間。

理想情況下，測(cè)量聲波順風(fēng)傳送時(shí)間ct1＝t1+t2+t3/2；

t3＝t1+t2，t1＝t4，t3＝t2+t4；

在1組測(cè)量中：

t1是指3個(gè)大波束角超聲波換能器第1次接收聲波時(shí)間；

t2是指2個(gè)大波束角超聲波換能器從第1次接收時(shí)間到第2次接收聲波時(shí)間；

t3是指2個(gè)大波束角超聲波換能大波束角超聲波換能器第2次接收聲波時(shí)間；

t4是指1個(gè)中心點(diǎn)超聲波換能器接收聲波時(shí)間；

由于風(fēng)速傳輸路徑是有方向有大小的，會(huì)影響聲波傳輸時(shí)間和方向；惡劣天氣環(huán)境里測(cè)量聲波傳輸路徑受到的衰減、反射的影響，測(cè)量中通過(guò)提高測(cè)量頻次、測(cè)量方位，加入夾角計(jì)算等手段來(lái)補(bǔ)償。測(cè)量中，3個(gè)大波束角超聲波換能器1、2、3輪流與無(wú)方向性柱形超聲波換能器4同步雙向收發(fā)，采用同步差分發(fā)送和同步差分接收獲得24個(gè)數(shù)據(jù)。根據(jù)這24個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)算得到風(fēng)速角度，加入角度數(shù)據(jù)反算∠t1、∠t2、∠t3的傳播時(shí)間，即可推算風(fēng)速值；在測(cè)算中，若上述24個(gè)數(shù)值中的任意一個(gè)出現(xiàn)異常，則可對(duì)其進(jìn)行反向推導(dǎo)，所以在聲波傳播路徑上產(chǎn)生的隨機(jī)干擾信號(hào)不會(huì)影響最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。