[發明專利]一種超聲波測風儀及測風速方法

在審

• 申請號: 201910291175.5
• 申請日: 2019-04-11
• 公開（公告）號: CN110018327A
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 易澤雄
• 申請（專利權）人: 易澤雄;成都雷奧風電傳感器有限公司
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 成都睿道專利代理事務所(普通合伙) 51217
• 代理人: 薛波

1.一種超聲波測風儀，其特征在于：包括測風腔、微處理器、FPGA芯片、超聲波換能器收發切換模塊以及三個超聲波換能器；

所述測風腔包括上平面和下平面，所述上平面與下平面之間的距離等于超聲波半波長的整數倍，三個超聲波換能器安裝于所述上平面，超聲波換能器發射的超聲波能夠在上平面與下平面之間來回反射形成駐波；

所述三個超聲波換能器與所述超聲波換能器收發切換模塊連接，所述FPGA芯片控制超聲波換能器收發切換模塊完成接收和發射切換功能，實現超聲波信號的時序發射以及記錄超聲波信號從發射到接收的飛行時間；所述微處理器控制FPGA芯片完成超聲波收發切換、回波數據采集，并對FPGA芯片采集到的回波數據進行處理。

2.根據權利要求1所述的超聲波測風儀，其特征在于：所述三個超聲波換能器呈等邊三角形分布。

3.根據權利要求2所述的超聲波測風儀，其特征在于：所述測風腔的上平面與下平面之間的距離等于超聲波波長。

4.根據權利要求3所述的超聲波測風儀，其特征在于：所述三個超聲波換能器每兩個組合成一對，三個超聲波換能器兩兩組合成三對，三對超聲波換能器輪流收發超聲波信號。

5.根據權利要求4所述的超聲波測風儀，其特征在于：所述三個超聲波換能器包括A超聲波換能器、B超聲波換能器、C超聲波換能器，A超聲波換能器與B超聲波換能器組成一對，B超聲波換能器與C超聲波換能器組成一對，C超聲波換能器與A超聲波換能器組成一對，每對超聲波換能器按時間順序發射超聲波和接收超聲波。

6.根據權利要求5所述的超聲波測風儀，其特征在于：所述超聲波換能器收發切換模塊連接有換能器驅動電路以及回波接收電路，換能器驅動電路通過DAC數字模擬轉換器與FPGA芯片連接，回波接收電路通過ADC模擬數字轉換器與FPGA芯片連接。

7.根據權利要求1至6任一項所述的超聲波測風儀，其特征在于：所述測風腔的上平面和下平面呈圓形，所述上平面與下平面之間設置有六個連接柱，所述連接柱對稱分布于圓形平面的邊沿，所述連接柱包括三個空心柱。

8.根據權利要求7所述的超聲波測風儀，其特征在于：還包括殼體，所述殼體包括第一殼體和第二殼體，所述第一殼體與上平面組成第一腔體，所述第二殼體與下平面組成第二腔體。

9.根據權利要求8所述的超聲波測風儀，其特征在于：所述第二殼體的下端連接有底座，所述底座設置有六方扳手位和外螺紋，底座的底端連接有航空插頭。

10.一種利用權利要求6所述的超聲波測風儀的測風速方法，包括以下步驟：

步驟一：A超聲波換能器發射超聲波信號，B超聲波換能器接收；FPGA從控制A超聲波換能器發射超聲波信號開始計時，到ADC采集到B超聲波換能器回波信號為止計時結束，由此得到A超聲波換能器發射的超聲波信號到B超聲波換能器的飛行時間t1；

步驟二：B超聲波換能器發射，A超聲波換能器接收；FPGA從控制B超聲波換能器發射超聲波信號開始計時，到ADC采集到A超聲波換能器回波信號為止計時結束，由此得到B超聲波換能器發射的超聲波信號到A超聲波換能器的飛行時間t2；

步驟三：根據公式Vw＝L*(t2-t1)/(2*t1*t2)，計算得出超聲波換能器AB方向上的風速Vab；

步驟四：根據步驟一至步驟三的方法，同理得到超聲波換能器BC、CA方向上的風速Vbc、Vca；

步驟五：根據步驟三和步驟四得到的風速Vab、Vbc、Vca，通過矢量合成，對Vab、Vbc、Vca求矢量和，矢量和的模即測量風速，矢量和的角度即風向；計算公式如下：

Vabx＝Vab*cos(30°)

Vaby＝Vab*sin(30°)

Vbcx＝Vbc*cos(30°)

Vbcy＝Vbc*sin(30°)

Vx＝Vabx+Vbcx

Vy＝Vaby+Vbcy+Vca

Vx是X方向的風速分量，Vy是Y方向的風速分量，風速V可以由Vx與Vy合成，Vx與Vy成90度夾角，風向D可以由三角函數關系得到：

V＝sqrt(Vx*Vx+Vy*Vy)

D＝acos(Vy/V))。