超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計

1、超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計1.研究背景及意義 風(fēng)速測量在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中都有廣泛的應(yīng)用，尤其在氣象領(lǐng)域，風(fēng)速測量更有著重要的價值。風(fēng)速測量，常用的儀表有杯狀風(fēng)速計、翼狀風(fēng)速計、熱敏風(fēng)速計和超聲波風(fēng)速計。杯狀風(fēng)速計和翼狀風(fēng)速計使用方便，但其惰性和機(jī)械摩擦阻力較大，只適合于測定較大的風(fēng)速。熱敏風(fēng)速計利用熱敏探頭，其工作原理是基于冷沖擊氣體帶走熱元件上的熱量，借助一個調(diào)節(jié)開元器件保持溫度恒定，此時調(diào)節(jié)電流和流速成正比。這種測量方法需要人為的干預(yù)，而且此儀表在湍流中使用時，來自各個方向的氣流同時沖擊熱元件，會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。現(xiàn)階段常采用基于超聲波傳播速度受風(fēng)速影響因而增減原理制成的超聲波風(fēng)速儀表

2、，與其它各類儀表相比較，其優(yōu)勢在于：安裝簡單，維護(hù)方便；不需要考慮機(jī)械磨損，精度較高；不需要人為的參與，可完全智能化。2.國內(nèi)外研究歷史及發(fā)展?fàn)顩r 超聲波可用于測量，是因為在超聲波在傳播過程中，會加載流體的流速信息，這些信息經(jīng)過分離處理，便可以得到流體的流速。年代中后期，大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度的時間測量成為一件輕而易舉的事情，再加上高性能的、動作非常穩(wěn)定的（鎖相環(huán)路）技術(shù)的應(yīng)用，使得超聲波流量計的穩(wěn)定可靠性得到了初步的保證。同時為了消除聲速變化對測量精度的影響，出現(xiàn)了頻差法、鎖相頻差法等。該類方法測量周期短，響應(yīng)速度快，而且?guī)缀跬耆寺曀賹y量精度的影響。年代，超聲波測量出現(xiàn)

3、了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相關(guān)噪聲法等等。年代才真正實現(xiàn)了高精度超聲波氣體流量計。 從國內(nèi)、外超聲波氣體測量發(fā)展來看，國外機(jī)構(gòu)開展這項工作的時間較早，到現(xiàn)在為止已經(jīng)形成較為成熟的產(chǎn)品。當(dāng)今世界，超聲波流量計用于氣體流量計的研究與開發(fā)方面，荷蘭的工nstromet公司、英國的Dnaiel公司以及美國的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了較好的應(yīng)用效果，其銷售份額也排在前幾位。日本在超聲波氣體流量計的設(shè)計方面也具有很大的優(yōu)勢，在消除管外傳播時間、提高儀器精度和縮短響應(yīng)時間方面有獨到之處。我國的超聲波流量計設(shè)計工作起步比較晚，但由于廣大科技工作者的努力和引進(jìn)國外先進(jìn)的技術(shù)

4、，國產(chǎn)的超聲波流量計已經(jīng)開始批量生產(chǎn)并投入使用。風(fēng)速測量這一領(lǐng)域，國內(nèi)比較先進(jìn)的是上海華巖儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的超聲波測風(fēng)儀，國外比較先進(jìn)的是意大利Deltaohm公司生產(chǎn)的HD2003超聲波測風(fēng)儀。3.超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀介紹1> 部分產(chǎn)品技術(shù)資料及特點簡要介紹如下：型號WS801WS802WS803WS804照片主要優(yōu)勢特點測量精度高；316不銹鋼固態(tài)設(shè)計，結(jié)構(gòu)堅固；防腐蝕；使用壽命長；無需校準(zhǔn)、維護(hù)。探頭內(nèi)置，抗雷電干擾和風(fēng)雪襲擾，全天候工作。探頭內(nèi)置且相向設(shè)置，既抗雷電干擾和雨雪襲擾，又能提高測量精度。探頭內(nèi)置，防護(hù)等級最高，體積最小、性價比最高、安裝使用方便、參數(shù)觀察直觀。主要適用

5、場合氣象監(jiān)測、艦船航行、風(fēng)力發(fā)電、城市與森林消防、環(huán)境監(jiān)測、礦山開采、鐵路橋梁、隧道涵洞及各類石油與天然氣鉆井作業(yè)平臺等。中小型船只、道路橋梁、隧道涵洞等。 更適合沿海一線的高山、島嶼，以及艦船等。任何場合。風(fēng)速參數(shù)啟動風(fēng)速0m/s響應(yīng)時間<0.5s測量范圍070m/s精度±0.1m/s(05m/s)，<±1.5%(565m/s)分辨率0.01m/s啟動風(fēng)速0m/s響應(yīng)時間<0.5s測量范圍070m/s精度±0.1m/s(05m/s)，<±1%(570m/s)分辨率0.01m/s啟動風(fēng)速0m/s響應(yīng)時間<0.5s測量范圍06

6、0m/s精度±0.1m/s(05m/s)，<±1%(560m/s)分辨率0.01m/s啟動風(fēng)速0m/s響應(yīng)時間<0.5s測量范圍050m/s精度±0.1m/s(05m/s)，<±3%(550m/s)分辨率0.1m/s風(fēng)向參數(shù)測量范圍0360°(無死角)精度±1°分辨率0.1°測量范圍0360°(無死角)精度±2°分辨率0.5°聲速參數(shù)聲速范圍300370m/s精度±0.1m/s分辨率±0.01m/s聲速范圍300370m/s精度±

7、;0.1m/s分辨率±0.01m/s信號輸出RS-232、RS-485、RS422、CAN-BUS或4-20mA（4mA：0m/s；20mA：60m/s）數(shù)據(jù)格式：NMEA0183$WIMWV,xxx(風(fēng)向),R,xxx.xx(風(fēng)速),M,A*CC<CR><LF>工作電壓932VDC；可定制使用環(huán)境存儲溫度-50+80使用溫度-40+70防護(hù)等級IP65物理尺寸200*200*240mm3150*150*180mm360*60*100mm3安裝適合風(fēng)桿直徑：50mm適合風(fēng)桿直徑：50mm適合風(fēng)桿直徑：40mm重量2Kg1Kg2>產(chǎn)品具體優(yōu)勢與特點如下：

8、超聲波技術(shù)，測量精度高 多個超聲波探頭在測量空間內(nèi)實時發(fā)送、接收超聲波信號，確保參數(shù)實時高效；嚴(yán)格的單機(jī)測試技術(shù)確保測量精度高于國內(nèi)同類產(chǎn)品。 全固態(tài)設(shè)計，使用壽命長 優(yōu)勢的材料，精密的工藝，全固態(tài)設(shè)計，使整機(jī)無任何轉(zhuǎn)動部件，結(jié)構(gòu)更堅固，能抗海水、鹽霧腐蝕，使用壽命長。 無環(huán)境要求，全天候工作 儀器內(nèi)置自動溫控保護(hù)裝置，防止極端寒冷條件下冰雪凍結(jié)超聲波探頭造成的測量性能下降，確保儀器可以在任何環(huán)境條件下全天候工作。 一次性校準(zhǔn)，終生免維護(hù) 儀器在出廠前一次性校準(zhǔn)，使用過程中無需任何測試與校準(zhǔn)；無需采取任何維護(hù)措施。 無人值守，信息無線傳輸 儀器可采用配套的太陽能電池板供電；測量信息遠(yuǎn)程無線傳輸

9、，遠(yuǎn)距離后方監(jiān)視。無需鋪設(shè)電纜?？蓮V泛應(yīng)用于環(huán)境惡劣的高山、海島等無人值守的邊遠(yuǎn)地區(qū)。4.產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域 作為高新技術(shù)產(chǎn)品，公司研發(fā)生產(chǎn)的系列產(chǎn)品在民用、軍用領(lǐng)域市場應(yīng)用前景廣闊。 民用市場 風(fēng)力發(fā)電 氣象檢測 船舶航海及鉆井作業(yè)平臺 高速鐵路公路網(wǎng) 航空機(jī)場環(huán)境監(jiān)測 地鐵、隧道與礦山開采 軍用市場 坦克兵、高炮部隊 航空兵部隊 海島、邊遠(yuǎn)地區(qū)作戰(zhàn)部隊 武警及公安消防部隊5.超聲波的產(chǎn)生與傳播      超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，它的方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等

10、。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20Hz-20000Hz。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等.我們把能夠?qū)崿F(xiàn)超聲能量與其他形式能量相互轉(zhuǎn)換的器件稱為超聲波換能器。 一般情況下，超聲波換能器既能用于發(fā)射又能用于接收. 在本實驗中，采用壓電效應(yīng)實現(xiàn)超聲波信號與電信號的轉(zhuǎn)換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。1>壓電效應(yīng) 某些固體物質(zhì)，在壓力（或拉力）的作

11、用下產(chǎn)生變形，從而使物質(zhì)本身極化，在物體相對的表面出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這一效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。物質(zhì)的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。2>脈沖超聲波的產(chǎn)生及其特點 當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個電壓短脈沖時, 由于逆壓電效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩。振蕩頻率與晶片的厚度和聲速有關(guān), 適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波, 即超聲波。此種方式發(fā)射出的是一個超聲波波包，通常稱為脈沖波。3>定位原理 利用超聲波進(jìn)行探測的另一個原因是超聲探頭發(fā)射的能量具有較強(qiáng)的指向性。指向性是指超聲波探頭發(fā)射聲束擴(kuò)散角的大小。擴(kuò)散角越小，則指向性越好，對目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性越高。在固體材料的尺寸測量、無

12、損檢測、超聲診斷、潛艇導(dǎo)航等超聲應(yīng)用中，都利用了超聲波的這一特點。6.超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的工作原理 超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的工作原理是利用超聲波時差法來實現(xiàn)風(fēng)速的測量。聲音在空氣中的傳播速度，會和風(fēng)向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風(fēng)向相反，它的速度會變慢。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風(fēng)速函數(shù)對應(yīng)。通過計算即可得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向。由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；風(fēng)速儀檢測兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計。7.超聲換能器 聲波的發(fā)射和接收是通過換能器來完成的。換能

13、器是一種可以把一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的器件，而超聲換能器是一種將超聲能轉(zhuǎn)換成電能、機(jī)械能或其他一些形式的能量的器件。目前較為常用超聲波換能器是壓電式超聲波換能器。壓電效應(yīng)天然地存在于某些具有極軸的單晶體中。當(dāng)把具有壓電特性的某種晶體材料切割成圓片狀或者方片狀，并在這兩個平面上涂上金屬薄膜作為電極，若有機(jī)械壓力壓在涂有電極的表面上時，則會在兩個電極面上分別引起等量異號的電荷，因而兩電極間會生成一個可觀測的電壓，這是正向壓電效應(yīng)。當(dāng)在兩個電極上施加一電壓，使之在晶體內(nèi)形成一個電場時，就會得到反向壓電效應(yīng)，此時晶體將承受一機(jī)械應(yīng)變。本系統(tǒng)采用市場上常見的頻率為壓電陶瓷換能器，完成超聲波

14、聲能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換口。壓電陶瓷換能器具有機(jī)電轉(zhuǎn)換率高、容易成型、造價低廉等優(yōu)點，而且通過改變成分可以得到具有各種不同性能的超聲波換能器，如發(fā)射型、接收型和收發(fā)一體型。8.超聲波風(fēng)速測量的實現(xiàn)方法 采用超聲波進(jìn)行氣體流速測量可以采用三種形式：時差法、多普勒法和渦街風(fēng)速測量法，此系統(tǒng)僅通過時差法來測量。1>時差法風(fēng)速測量的基本原理 設(shè)南北（或東西）兩超聲波收發(fā)器的距離為d,順風(fēng)傳輸時間為t12,逆風(fēng)傳輸時間為t21，風(fēng)速為V（南北為Vx，東西為Vy）超聲波傳播速度為C，有=C+Vx =C-VxVx=(- )同理可求得Vy,進(jìn)而得出風(fēng)速V，風(fēng)向。由三角合成計算得出：風(fēng)速為：Vxy=風(fēng)向為

15、：=arctan 該法對于窄帶的超聲波信號，消除了聲速C的影響，被測風(fēng)速只與順，逆流傳播時間有關(guān)系，因而只要測得t12和t21，便可以求得當(dāng)前被測風(fēng)速，風(fēng)向，基本上消除了溫度等影響。2>傳感器配置方案 為了使得超聲波測量發(fā)揮最好的效果，選擇一種好的傳感器配置方法對有效降低環(huán)境因素的負(fù)面影響，提高超聲波風(fēng)速測量的可靠性具有重要的意義。本設(shè)計針對三種不同的傳感器配置方案進(jìn)行了對比試驗，參與試驗配置方案如下方案1：交叉法 交叉法采用了四個RT（收發(fā)一體）超聲波傳感器探頭，分別AC，BD兩組，基于相位差方法的測量原理是在某一時刻，各組中分別有一只探頭發(fā)射超聲波，另一只探頭接收信號，下一時刻各組探

16、頭功能裝換。這樣處理器可以獲得2*2個接收數(shù)據(jù)，通過對這4組數(shù)據(jù)的處理可以獲得風(fēng)速風(fēng)向值。方案2：反射法 反射式配置方案包括兩個探頭極板，一個極板上安裝三個RT（配置成等邊三角形探頭組），三個RT探頭傳感面保證在一個平面上，此平面平行于反射極板。三個探頭輪流收發(fā)，在任意時刻，保證探頭組中有一只傳感器發(fā)射超聲波，其余兩只傳感器接收信號，三只傳感器輪換發(fā)射一周，可獲得三組接收數(shù)據(jù)，通過計算和處理，可獲得風(fēng)速風(fēng)向值。反射板的加入，能夠使得超聲波傳播聲程加大，利于提高測量精度。方案3：三角配置 平面三角配置方案，將三個RT探頭置于等邊三角形的三個頂角，仍使用三探頭輪流收發(fā)方法，獲得三組測量值之后經(jīng)過計

17、算處理得到最終風(fēng)速風(fēng)向值。三角形邊長可以做到10cm以內(nèi)，傳感器組及測量儀器電路板面積不大，這使得測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)尺寸能夠做的比較小，便于安裝。9.超聲波發(fā)射接收電路 本系統(tǒng)采用頻率為40KHz，收發(fā)一體的超聲波換能器收發(fā)超聲波信號，因此設(shè)計一套收發(fā)一體的超聲波收發(fā)電路。1>超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路由振蕩電路，驅(qū)動電路及超聲波換能器組成。超聲波換能器選用收發(fā)一體式，系統(tǒng)共用四個超聲波換能器，垂直相向而放，一個超聲波換能器配一套振蕩電路。四套振蕩電路共用一套驅(qū)動電路。分別用于順時，逆時發(fā)射超聲波信號。2>驅(qū)動電路 超聲波信號經(jīng)過傳播之后能量被衰減，接收電路只能接收到幅度很小的電

18、壓信號。同時超聲波換能器在產(chǎn)生超聲波時需要一個較高的瞬時脈沖電壓，因此為了準(zhǔn)確識別接收信號，需要升壓電路來驅(qū)動超聲波換能器。本系統(tǒng)中采用AD公司的微功耗升壓/降壓開關(guān)穩(wěn)壓器ADP1111來實現(xiàn)升壓，ADP1111需要的外圍器件極少，能實現(xiàn)升壓，降壓，反向模式，電壓輸入范圍為+2+30V,輸出電壓，電流均可調(diào)，輸出電壓由R6，R7構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)，其計算公式為：V0=1.25（1+R7/R6)。為了能得到適當(dāng)幅度大小的超聲波接收信號，R7采用47K的可變電阻器，令R6位1K，通過調(diào)節(jié)R7的大小可產(chǎn)生最高60V的高壓。3>振蕩電路 當(dāng)超聲換能器外加等于壓電晶片固有振蕩頻率的脈沖時，壓電晶片

19、將會發(fā)生共振，產(chǎn)生超聲波。超聲換能器具有諧振特性，即使向發(fā)射端輸入頻率與諧振頻率相同的任意波形，接收端輸出的也是正弦波，因此本振蕩電路采用方波驅(qū)動。利于單片機(jī)產(chǎn)生輸出40KHz的方波信號，當(dāng)發(fā)射完8個脈沖后，禁止單片機(jī)信號輸出，超聲波經(jīng)過各個超聲波換能器交叉發(fā)射超聲波，交叉開關(guān)將模塊03分配給I/O口P0.0P0.3，控制四路超聲波的發(fā)射與否，各路高低電平的控制由兩個場效應(yīng)管（NM0S，PMOS）組成的模擬開關(guān)的開合決定。 ADP111產(chǎn)生的高壓通過場效應(yīng)管的通段來產(chǎn)生高壓脈沖信號，驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波脈沖，系統(tǒng)選取低功耗，耐高壓，輸入內(nèi)阻大的高速NMOS和PMOS作為模擬開關(guān)。Q2的柵極為低

20、電平時，Q2截止，Q1的Vgs接近零電壓，Q1截止輸出低電平。因此，超聲波換能器因受到40KHz的脈沖電壓而產(chǎn)生逆變電壓效應(yīng)，發(fā)射40KHz的超聲波。 本系統(tǒng)為超聲波收發(fā)一體式電路，在超聲波發(fā)射時為防止發(fā)射電壓倒灌入接收回路中，在街上回路的接收端之前正，反接入兩個二極管，以起到限壓保護(hù)作用。4>超聲波接收電路 超聲波的接收是本系統(tǒng)的重要部分，它關(guān)系到測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因而無論順風(fēng)，逆風(fēng)，同一時刻只有一路超聲波發(fā)射信號，一路超聲波接收信號，故四個超聲波換能器通過雙四選一多路模擬選擇開關(guān)CD4052共用一套接收電路，接收電路包括四選一多路模擬開關(guān)，帶通濾波器，電壓比較器。 5>模擬選擇

21、開關(guān) CD4052是一個差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，具有二進(jìn)制控制輸入端A,B和一個禁止輸入EN，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流，當(dāng)EN輸入端為“0”時，A,B的四種二進(jìn)制組合狀態(tài)用來在四對通道中選擇其中的一對，可連接該輸入至輸出，當(dāng)EN輸入端=“1”時，所以通道截止。 本系統(tǒng)利用CD4052實現(xiàn)了令四路超聲波發(fā)射電路復(fù)用一路接收電路，四個超聲波接收信號輸入端分別與CD4052的Y0，Y1，Y2，Y3通道連接，接收電路與CD4052的公共Y通道相連，P1.3與EN相連，用來決定開啟/關(guān)閉接收電路，此接法可以只有在有效時間內(nèi)開啟接收電路，減少噪聲的干擾機(jī)會，單片機(jī)的P1.1，P1.2與A,B相

22、連，用來選擇通道。要接收哪路信號，只需要設(shè)置A,B值打開相應(yīng)通道開關(guān)即可，而不需要其他軟件操作。本系統(tǒng)中超聲波的發(fā)射頻率為40KHz，相距0.1m，則超聲波的傳播時間最短（按15下，風(fēng)速為0，聲速340m/s計算）為294us，延時一個周期25us可造成26.66m/s的偏差，即使lus的測量誤差也會產(chǎn)生1.15.m/s的誤差。由此可見，傳播時間差對風(fēng)速的影響是非常大的。6>超聲波的放大整形 超聲波換能器的發(fā)射信號不太穩(wěn)定，且經(jīng)過空氣的傳播后，能量被大幅度衰減，接收電路只能接收到幅度很小的電壓信號，為了提高接收信號的信噪比，不至于使電路產(chǎn)生熱噪聲或者外加噪音淹沒微弱的超聲信號，需要設(shè)計帶通濾波放大電路。超聲波濾波電路設(shè)計有兩種方法：（1） 利用專門的超聲濾波集成電路，其結(jié)構(gòu)簡單，運用方便，但參數(shù)固定，只能作為一種通過的超聲波濾波放大電路，不能利于調(diào)試。（2） 利用運算放大器自行設(shè)計有源帶通濾波器，這種方法可以滿足有特殊要求的設(shè)計。 集成超聲濾波電路可以采用CX201