[发明专利]反射式超声波风速风向仪及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及风速及风向测量技术领域，特别涉及一种反射式超声波风速风向仪及其测量方法。

背景技术

在船舶航行、风力发电、气象观测预报，体育比赛场地环境测量等领域，都涉及到风测量需求，使得风速仪得到了广泛的应用。

常用风速仪有机械式风速仪、动压力式风速仪、热线式风速仪等。其中机械式风速仪都是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。该方法简单可靠，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。动压式力风速仪采用皮托管等传感部件，利用伯努利原理测量风速。但由于在自然风的条件下，空气的动压力相对较小，测量小风速困难，且无法测量风向，所以多年来只能在实验室使用，难以推广。还有热线式风速仪，其强度比机械式好很多，但是不宜在潮湿，有粉尘的自然条件下使用。

近些年出现了利用声波信号多普勒效应测量风速风向的超声波式风速仪，采用的是直射式脉冲时差测量方法。实际使用中，直射式测量方法需要解决两个主要问题：一是传感器支架结构一致性难以保证，二是接收端声波信号强度受风速变化影响较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种反射式超声波风速风向仪及其测量方法，以提高超声波测量风速的精度和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种反射式超声波风速风向仪，包括探头安装座1，超声波探头21、22、23、24，支架3和反射面4四个部分；所述探头安装座1上固定有四个所述超声波探头21、22、23、24，所述四个超声波探头21、22、23、24分为两组，分别布置于正交的两个轴线上，探头两两相对，所述超声波探头21、22、23、24的发射方向与探头安装座1的平面呈45度夹角，所述超声波探头21、22、23、24的相位中心距离是其距离反射面4的距离的两倍，使超声波信号经过反射面4反射可到达对面的超声波探头21、22、23、24的相位中心；支架3包括四根，安装于所述超声波探头21、22、23、24相位中心组成的圆环之外，起到固定反射面4的作用，在保证机械强度的情况下，支架3直径尽量小；反射面4底部为平面，顶部为球面。

本发明还提供了一种所述反射式超声波风速风向仪的测量方法，所述方法以下步骤：

A.各超声波探头21、22、23、24依次发射超声波信号，其对面的超声波探头21、22、23、24接收由反射面1反射的信号，忽略直射信号，从而依次测量出各超声波探头21、22、23、24的超声波信号传播时间；

B.循环测量，不断分别计算出两个正交轴线方向上的超声波信号传播时差；

C.对测量得到的时差数据进行最小二乘平滑滤波处理；

D.根据滤波后的时差数据计算出各个方向上的风速分量，利用矢量合成的方法，求出风速值和风向值。

与现有技术相比，本发明提供的反射式超声波风速风向仪及其测量方法具有以下的技术效果：

1.本发明的核心是利用超声波探头具有一定波瓣宽度的特点，通过接收超声波脉冲的反射信号，消除了测量结构难以固定和信号强度随风速剧烈变化对测量造成的影响。

2.电路设计简单，成本低。电路采用模块化设计，不需要考虑复杂的信号自动增益放大问题，降低了电路设计难度，有利于后端信号处理。

3.算法设计优良。首先实际计算风速不需要知道探头之间的精确距离，只要根据风洞拟合得到的参数，在获得四个探头的超声波脉冲传播时间后就可以算出风速；另外对实测的数据利用最小二乘滤波进行平滑处理，极大提高了测量风速的准确性和稳定性。

4.环境适应性强。反射式超声波风速风向仪由于具有反射顶盖，可以遮挡一部分雨雪和沙尘，降低了异物对超声波脉冲在传播过程中的影响，使其在结构上具有比直射式超声波风速风向测量方法更好的环境适应能力。

附图说明

图1是本发明实施例中反射式超声波风速风向仪的结构图；

图2是本发明实施例中的反射式超声波风速风向仪的电路模块图；

图3是本发明实施例中反射式超声波风速风向仪的超声波测速原理图；

图4是本发明实施例中反射式超声波风速风向仪的信号传播图；

图5是本发明实施例中反射式超声波风速风向仪的入射角度与风速对应关系图；

图6是本发明实施例中反射式超声波风速风向仪的测量处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明所述内容作详细说明。

如图1所示，是本发明实施例中反射式超声波风速风向仪的结构图。