[发明专利]一种超声波测风仪及测风速方法

说明书

本发明公开了一种超声波测风仪，包括测风腔、微处理器、FPGA芯片、超声波换能器收发切换模块以及三个超声波换能器；所述测风腔包括上平面和下平面，所述上平面与下平面之间的距离等于超声波半波长的整数倍，三个超声波换能器安装于所述上平面，超声波换能器发射的超声波能够在上平面与下平面之间来回反射形成驻波；所述三个超声波换能器与所述超声波换能器收发切换模块连接，所述FPGA芯片控制超声波换能器收发切换模块完成接收和发射切换功能，实现超声波信号的时序发射以及记录超声波信号从发射到接收的飞行时间。本发明的超声波测风仪体积小，测算范围宽，可以长时间稳定工作于沙尘、盐雾、冻雨等恶劣气候环境。

技术领域

本发明属于风速风向测量技术领域，具体涉及一种超声波测风仪。

背景技术

风矢量包含风速和风向信息，有效地监测风矢量信息，不仅可以为人们提供日常出行的参考，同时可为监测各种天气气候灾害提供依据。强烈天气和气候系统的缓变和突变对国家安全的很多方面产生影响，需要从战略高度为军事安全、国土安全、公共安全、环境安全、生态安全、能源安源、粮食安全、水资源安全等方面提供全方位气象保障服务。空气流动产生的动能称为风能，风能是一种不产生任何污染物排放的可再生自然能源，其储量非常巨大，风力发电是风能利用的最重要形式，风力发电已经超过核电，成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。无论是气象应用还是风能利用，首要的任务就是准确获得风矢量信息。高质量风矢量测量仪器的设计将为气象应用与风能利用提供有力的数据。

传统机械式测风仪结构简单，技术成熟，多采用光电管方式或者磁编码方式测量风速风向，在风力发电、气象监测、铁路等行业应用广泛，但其存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，不能长时间稳定可靠的工作于沙尘、盐雾、冻雨等恶劣气候环境。

发明内容

本发明提供一种超声波测风仪以及测风速方法，能够解决现有测风仪不能适应恶劣气候环境的问题。

本发明采用的技术方案为：一种超声波测风仪，包括测风腔、微处理器、FPGA芯片、超声波换能器收发切换模块以及三个超声波换能器；所述测风腔包括上平面和下平面，所述上平面与下平面之间的距离等于超声波半波长的整数倍，三个超声波换能器安装于所述上平面，超声波换能器发射的超声波能够在上平面与下平面之间来回反射形成驻波；所述三个超声波换能器与所述超声波换能器收发切换模块连接，所述FPGA芯片控制超声波换能器收发切换模块完成接收和发射切换功能，实现超声波信号的时序发射以及记录超声波信号从发射到接收的飞行时间；所述微处理器控制FPGA芯片完成超声波收发切换、回波数据采集，并对FPGA芯片采集到的回波数据进行处理。

进一步的，所述三个超声波换能器呈等边三角形分布。

进一步的，所述测风腔的上平面与下平面之间的距离等于超声波波长。

进一步的，所述三个超声波换能器每两个组合成一对，三个超声波换能器两两组合成三对，三对超声波换能器轮流收发超声波信号。

进一步的，所述三个超声波换能器包括A超声波换能器、B超声波换能器、C超声波换能器，A超声波换能器与B超声波换能器组成一对，B超声波换能器与C超声波换能器组成一对，C超声波换能器与A超声波换能器组成一对，每对超声波换能器按时间顺序发射超声波和接收超声波。

进一步的，所述超声波换能器收发切换模块连接有换能器驱动电路以及回波接收电路，换能器驱动电路通过DAC数字模拟转换器与FPGA芯片连接，回波接收电路通过ADC模拟数字转换器与FPGA芯片连接。

进一步的，所述测风腔的上平面和下平面呈圆形，所述上平面与下平面之间设置有六个连接柱，所述连接柱对称分布于圆形平面的边沿，所述连接柱包括三个空心柱。

进一步的，还包括壳体，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体与上平面组成第一腔体，所述第二壳体与下平面组成第二腔体。