超聲波檢測(cè)風(fēng)速風(fēng)向的三種方法

馬曉明

【摘要】隨著科技的發(fā)展，超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向逐漸替代原始的三杯式測(cè)量。本文介紹了三種超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法。它們都可以測(cè)量平面內(nèi)任意方向的風(fēng)速風(fēng)向，但是其精確度略有不同。

【關(guān)鍵詞】超聲波;風(fēng)速;風(fēng)向

目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)速風(fēng)向傳感器可以分為三類。第一類為螺旋槳式傳感器，第二類為三杯式測(cè)量風(fēng)速、單翼式測(cè)量風(fēng)向的傳感器，第三類為超聲波傳感器。其中超聲波傳感器測(cè)量與其他兩類相比具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：它沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不存在磨損問(wèn)題;超聲波頻率快，測(cè)量精度高等。

1.超聲波測(cè)量風(fēng)速的基本原理

超聲波在空氣中傳播時(shí)，順風(fēng)與逆風(fēng)方向傳播存在一個(gè)速度差，當(dāng)傳播固定的距離時(shí)，此速度差反映成一個(gè)時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差與待測(cè)風(fēng)速具有線性關(guān)系[1]。

對(duì)于特定方向的風(fēng)速測(cè)量，可以采用一對(duì)收發(fā)一體的超聲波傳感器，保持傳感器距離不變，按特定方向放置，以固定頻率發(fā)射超聲波，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向上超聲波到達(dá)時(shí)間，即可得到超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)下的傳播速度，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理計(jì)算即可得到風(fēng)速值。

圖1 超聲波檢測(cè)風(fēng)速原理

如圖1所示，假設(shè)傳感器1到傳感器2的方向?yàn)轱L(fēng)向，兩超聲波傳感器距離為d，超聲波由傳感器1到傳感器2的時(shí)間的t12，傳感器2到傳感器1的時(shí)間為t21，風(fēng)速為V，超聲波傳播速度為Vu，那么可以得到：

從而 ? ? ? ? ? ? ? （1）

從式中可以看出風(fēng)速的測(cè)量沒(méi)有包含影響風(fēng)速測(cè)量的超聲波傳輸速度Vu（不同環(huán)境下數(shù)值不同），即避免了溫度等其他因素對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響。

圖2 垂直放置方法檢測(cè)原理

2.超聲波測(cè)量風(fēng)向的三種方法

2.1 垂直放置方法

如圖2所示，設(shè)兩對(duì)超聲波傳感器距離均為d，x軸方向的傳輸時(shí)間分別為t12和t21，y軸方向的傳輸時(shí)間分別為t34和t43，風(fēng)速為V，x軸方向的風(fēng)速為Vx，y軸方向的風(fēng)速為Vy，超聲波傳播速度為Vu。根據(jù)公式（1）可得：

x軸方向的風(fēng)速，y軸方向的風(fēng)速

風(fēng)速

設(shè)x軸正方向?yàn)?o，角度按逆時(shí)針?lè)较蛟龃螅瑒t風(fēng)向：

化簡(jiǎn)并求反函數(shù)：

隨著風(fēng)向的變化，可得某時(shí)刻風(fēng)向?yàn)椋?/p>

圖3 中心發(fā)射放置方法檢測(cè)原理 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4 等邊三角放置方法檢測(cè)原理

2.2 中心發(fā)射放置方法

如圖3所示，中心位置超聲波傳感器發(fā)射部件與其他四個(gè)接收部件的距離均為d，發(fā)射部件傳輸?shù)浇邮詹考?至4的時(shí)間分別為t1、t2、t3和t4。此方法與垂直放置方法的計(jì)算方式相同，因此我們可以直接得到：

風(fēng)速

隨著風(fēng)向的變化，某時(shí)刻的風(fēng)向?yàn)椋?/p>

2.3 等邊三角放置方法

如圖4所示，設(shè)超聲波傳感器距離為d，傳感器1到傳感器2的傳播時(shí)間為t12，傳感器2到傳感器3的傳播時(shí)間為t23，傳感器3到傳感器1的傳播時(shí)間為t31。風(fēng)速為V，超聲波速度為Vu，此時(shí)風(fēng)速與x軸的夾角為θ。

我們可以得到：

化簡(jiǎn)可得：

由式可得：

3.超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件我們采用HC-SR04超聲波模塊和S3C2440處理器進(jìn)行連接。HC-SR04超聲波模塊可提供范圍2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。超聲波模塊包含四個(gè)引腳，其中VCC連接開(kāi)發(fā)板的5V電源接口，GND為地線，TRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO回響信號(hào)輸出，TRIG和ECHO均連接開(kāi)發(fā)板GPIO接口。超聲波傳感器根據(jù)測(cè)量方法采用合適的數(shù)量和位置，其輸入輸出控制也要根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，垂直方法輸入輸出同時(shí)工作;中心發(fā)射方法中心位置的傳感器朝四個(gè)方向發(fā)射不接收，四個(gè)方向的傳感器接收不發(fā)射;三角放置方法輸入輸出同時(shí)工作，但要保證60o角。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件基于Linux平臺(tái)進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，通過(guò)Qt實(shí)現(xiàn)了軟件界面化，程序流程如圖5所示。

設(shè)計(jì)原理為利用單片機(jī)產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)射超聲波，等待接收信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)時(shí)器對(duì)發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間進(jìn)行判斷，計(jì)算出傳播時(shí)間，通過(guò)分析處理計(jì)算出風(fēng)速風(fēng)向值，最后將結(jié)果傳輸給開(kāi)發(fā)板顯示單元。

4.三種測(cè)試方法的比較

超聲波傳播速度Vu易受空氣溫度影響，三種測(cè)試方法的共同點(diǎn)是避免了不同環(huán)境下超聲波傳播速度的不同對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度造成的影響[2]。其中垂直放置方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便，計(jì)算量小，缺點(diǎn)是同一方向上同時(shí)發(fā)射兩條超聲波，會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。中心發(fā)射方法與垂直放置方法類似，但是同一時(shí)間某段距離只有一條超聲波傳播，測(cè)量精度最高，缺點(diǎn)是傳感器需求較多，增加了硬件成本。而三角放置方法同一時(shí)間具體方向只有一條超聲波傳播，消除了兩條超聲波在一個(gè)方向上同時(shí)傳播對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，同時(shí)傳感器需求最少，缺點(diǎn)是計(jì)算量最大，硬件初始設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)傳感器位置要求嚴(yán)格，否則產(chǎn)生的誤差最大。

5.結(jié)論

三種超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法都實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。三種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)需求的不同選用合適的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法，對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量具有參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]金晶，唐慧強(qiáng).基于ARM的超聲波風(fēng)速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2005.

[2]TANG Huiqiang，HUANG Weiyi，LI Ping，et al.Utrasonic wind velocity measurement based on DSP[J].J Southeast University，2005（1）：21-23.