[发明专利]一种超声波风速风向测量实验仪及测量方法

权利要求书

1.一种超声波风速风向测量实验仪的测量方法，所述测量实验仪包括底座(1)，所述底座(1)上侧固定连接函数信号发生器(2)、示波器(3)、超声波发生器一(4)、超声波接收器一(5)、超声波发生器二(6)和超声波接收器二(7)，所述底座(1)上放置有风机(8)，所述超声波发生器一(4)正对所述超声波接收器一(5)，所述超声波发生器二(6)正对所述超声波接收器二(7)；

所述超声波发生器一(4)、所述超声波接收器一(5)、所述超声波发生器二(6)和所述超声波接收器二(7)位于同一平面内；所述超声波发生器一(4)与所述超声波接收器一(5)传播路径为L_x，所述超声波发生器二(6)与所述超声波接收器二(7)传播路径为L_y，所述L_x与所述L_y正交，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：超声波发生器一(4)和超声波发生器二(6)通过一个三通接头同时接入函数信号发生器(2)的信号输出端口，超声波接收器一(5)的接头接入示波器(3)的CH1接口，超声波接收器二(7)的接头接入示波器(3)的CH2接口，用信号线将函数信号发生器(2)的同步信号接头直接接入示波器(3)的外触发接口，按下各仪器开关，函数信号发生器(2)选择正弦波波形，调节输出信号的频率值及振幅值与超声波发生器一(4)、超声波接收器一(5)、超声波发生器二(6)和超声波接收器二(7)的工作频率与振幅相一致，示波器(3)选择外触发模式；

步骤2：无风情况下调节超声波发生器一(4)与超声波接收器一(5)的传播路径L_x和超声波发生器二(6)与超声波接收器二(7)的传播路径L_y相同，此时示波器(3)所显示的CH1与CH2两路信号波形重合，即二者在无风状态下的初相位相同，并记录此时CH1与CH2两路波信号的初始位置；

步骤3：由风机(8)施加具有一定速度、一定方向的风，超声波发生器一(4)和超声波接收器一(5)支路的CH1波信号相较于其初始波信号的位置发生变化，即CH1波信号的相位发生变化，在示波器(3)上读取并记录该相位差

步骤4：超声波发生器二(6)和超声波接收器二(7)支路的CH2波信号相较于其初始波信号的位置发生变化，即CH2波信号的相位发生变化，并在示波器(3)上读取并记录该相位差

步骤5：保持风向不变，增大风速，重复上述步骤1至4；

步骤6：测量并记录两支路路径长度L_x与L_y，读取并记录超声波频率f₀及风机(8)的位置；

步骤7：对数据进行运算的运算过程如下：

第一步：

以Lx支路为例：

无风时：

式中:V₀为超声波声速，超声波发射正方向设定沿L_x从超声波发生器一(4)到所述超声波接收器一(5)；

t_x为无风时超声波信号传播时间；

此时，

V为总风速；

为V的矢量形式；

有风时：

式中：t'_x为有风时L_x方向超声波信号传播时间；

V_x为沿L_x方向风速分量，与超声波发射正方向相同时为正，相反时为负；

V_y为沿L_y方向风速分量，与超声波发射正方向相同时为正，相反时为负；

此时，

式中：Δt_x为有风与无风L_x方向超声波信号传播时间差；

ΔL_x＝V₀×Δt_x (式4)

式中：ΔL_x为有风与无风L_x方向超声波信号声程差；

式中：为有风与无风L_x方向超声波信号相位差，当接收信号相对于原始信号相位超前时为负，延迟时为正；

整理(式5)可得：

第二步：

同理可得，L_y支路：

式中：为有风与无风L_y方向超声波信号相位差，当接收信号相对于原始信号相位超前时为负，延迟时为正；

第三步：

联立(式6)和(式7)，求得：

式中：

第四步：

运用勾股定理得总风速：

第五步：

计算风向：

式中：α风速方向与L_x正方向夹角，自L_x正方向起，逆时针为正；结合V_x与V_y的正负加以分析即可得到准确的角度α。