超聲波風速測試設計

金雨坤

【摘要】目前市場上常見的風速風向測試儀主要有機械式風速儀，激光多普勒測風速儀等。機械式風速儀主要存在機械器件易損耗，需要啟動風速從而無法測量低風速，精度低的缺點。激光多普勒測風速儀雖然測量精度高，但是其價格高昂，維護成本巨大，應用范圍窄。超聲波風速儀具有無機械部件、反應速度快、線性度高等優點，本文主要探索研究一種高精度的超聲波風速風向測量裝置。

【關鍵詞】超聲波風速儀;FPGA：時差測風速理論模型

二、時差法測風速理論模型

超聲波在風的影響下回波到達的時間是不同的，因此可以通過在順風和逆風的情況下，回波信號的達到的時間差來計算風速。

以平面二維模型為例，時差法測風速的原理圖如圖2所示：

結合式（4）和式（5）可以看出，測量時的風速大小僅與測量所得--順風和逆風狀況下的渡越時差有關，與測量時環境的聲速無關。

若求解三維空間中的風速，至少需要3條傳播路徑，而且3條路徑所在的直線不能處于同一個平面，而且每條路徑測得的風速是這段路勁長度上的平均風速。在此暫不討論更復雜的情況。

三、超聲波換能器和回波調理電路

超聲波換能器的功能是將輸入的電能量轉換成機械動能量（即超聲波信號）再傳遞出去，超聲波換能器的主要作用是產生和接收超聲波信號

超聲波回波調理電路由超聲波換能器，初級放大器，帶通濾波器，后級放大器，差分驅動電路以及ADC采集電路構成，并且通過FPGA增益控制。

初級調理電路是回波調理電路的第一級，負責微弱信號的放大任務和雙端輸入轉為單端輸出，以便后續處理，再進入帶通濾波器如OPA656N，經過后級放大再通過差分驅動電路，產生ADC的差分輸入信號送入ADC進行采集

在實際測量中，由于測量環境的改變，超聲波信號幅度的衰減可能會不同，為了增加測量的靈活性，可以增加兩級程控放大模塊使得電路有增益可調的功能，能夠動態調節電路增益使得輸入信號總是滿足ADC的最佳輸入范圍。

ADC驅動模塊是為了讓輸入信號匹配ADC的輸入要求，使得ADC盡可能地達到最高的轉換效率和精度。

四、結論

FPGA可以提供高精度的時鐘信號，以確保發射信號和回波信號的之間的渡越時差得到精準的測量，可以根據空氣動力研究與發展中心的進一步改善硬件結構設計，優化程序結構以提高算法的效率。