專利名稱：高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測量風(fēng)速和風(fēng)向的儀器，具體涉及一種高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向
測量裝置。
背景技術(shù)：
風(fēng)速和風(fēng)向是氣象測量中的重要參數(shù)，現(xiàn)有的測量風(fēng)速和風(fēng)向的儀器，一般采用機(jī)械式螺旋槳結(jié)構(gòu)的原理，號稱“小飛機(jī)”。該測量風(fēng)的方法由于采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，容易機(jī)械磨損，造成測量誤差較大，壽命較低。而且，現(xiàn)有的風(fēng)速風(fēng)向測量儀器存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣性， 測量風(fēng)也有測量慣性。由于有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)需要一定的啟動(dòng)風(fēng)速才能驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，因此這種測量手段還有啟動(dòng)風(fēng)速的要求，使用中受到一定的限制。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種沒有測量慣性、壽命較長， 且測量精度高的固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，包括正交分布設(shè)置在同一水平面上的兩對超聲波傳感器，每對超聲波傳感器之間互相發(fā)送和接收超聲波信號；每個(gè)超聲波傳感器的信號發(fā)送端通過發(fā)射信號模擬開關(guān)與高壓脈沖信號發(fā)生器連接；每個(gè)超聲波傳感器的信號接收端通過接收信號模擬開關(guān)與模擬處理電路連接。進(jìn)一步，如上所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其中，所述的超聲波傳感器為高頻收發(fā)一體式超聲波傳感器；每對的兩個(gè)超聲波傳感器的探頭之間的距離為15厘米。進(jìn)一步，如上所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其中，所述的模擬處理電路包括與接收信號模擬開關(guān)連接的初級放大電路，初級放大電路與模擬帶通濾波器連接，模擬帶通濾波器連接絕對值變換電路，絕對值變換電路與峰值保持電路相連接，峰值保持電路連接積分低通濾波電路，積分低通濾波電路連接比較器電路，比較器電路與高精度測量時(shí)間電路連接，高精度測量時(shí)間電路連接高壓脈沖信號發(fā)生器。進(jìn)一步，如上所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其中，所述的發(fā)射信號模擬開關(guān)、接收信號模擬開關(guān)、模擬處理電路、高壓脈沖信號發(fā)生器分別與主控制系統(tǒng)電路連接。進(jìn)一步，如上所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其中，所述的主控制系統(tǒng)電路還分別與RS485接口電路和傳感器溫控加熱電路連接。本實(shí)用新型的有益效果如下本實(shí)用新型采用固態(tài)傳感器手段測量，無接觸式測量風(fēng)速風(fēng)向，沒有啟動(dòng)風(fēng)速的要求，零啟動(dòng)測量。沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，因此沒有測量慣性，壽命較長，一般壽命能夠達(dá)到十年以上。同時(shí)，測量精度較高，是原有測量手段的十倍精度， 而且不需要現(xiàn)場校準(zhǔn)，一次標(biāo)定終生高精度測量，測量速度快，測量一次過程只需要5mS左
右ο
圖1為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的電路原理框圖；圖2為本實(shí)用新型的初級放大電路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3為本實(shí)用新型的模擬帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)圖；圖4為本實(shí)用新型的絕對值變換電路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖5為本實(shí)用新型的峰值保持電路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖6為本實(shí)用新型的積分低通濾渡電路和比較器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖7為本實(shí)用新型的發(fā)射信號模擬開關(guān)控制電路結(jié)構(gòu)圖；圖8為本實(shí)用新型的接收信號模擬開關(guān)控制電路結(jié)構(gòu)圖；圖9為本實(shí)用新型的RS485接口電路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖10為本實(shí)用新型的傳感器溫控加熱電路的電路結(jié)構(gòu)圖；圖11為本實(shí)用新型的主控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本實(shí)用新型采用四個(gè)高頻收發(fā)一體式超聲波傳感器，兩個(gè)一對，兩對超聲波傳感器之間按照正交分布(即連線相互垂直)，設(shè)置在同一水平面上，兩超聲波傳感器探頭間的距離都是15厘米，分別測量一對超聲波傳感器間的收發(fā)時(shí)間，然后，解算函數(shù)方程，求解出風(fēng)速和風(fēng)向。每個(gè)超聲波傳感器的信號發(fā)送端通過發(fā)射信號模擬開關(guān)與高壓脈沖信號發(fā)生器連接；每個(gè)超聲波傳感器的信號接收端通過接收信號模擬開關(guān)與模擬處理電路連接。所述的模擬處理電路包括與接收信號模擬開關(guān)連接的初級放大電路，初級放大電路與模擬帶通濾波器連接，模擬帶通濾波器連接絕對值變換電路，絕對值變換電路與峰值保持電路相連接，峰值保持電路連接積分低通濾波電路，積分低通濾波電路連接比較器電路，比較器電路與高精度測量時(shí)間電路連接，高精度測量時(shí)間電路連接高壓脈沖信號發(fā)生器。發(fā)射信號模擬開關(guān)、接收信號模擬開關(guān)、模擬處理電路、高壓脈沖信號發(fā)生器分別與主控制系統(tǒng)電路連接，主控制系統(tǒng)電路還分別與RS485接口電路和傳感器溫控加熱電路連接。超聲波信號源是驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號的高壓脈沖信號，該高壓脈沖信號周期是超聲波傳感器的共振頻率，依次發(fā)射5個(gè)高壓脈沖信號驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，接收端的超聲波傳感器探頭接收到超聲波信號后，將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。該信號是非常微弱的類似正弦波信號，接收端的模擬處理電路將該正弦波信號放大、濾波、整形變換為方渡信號。采用高精度測量時(shí)間電路測量出發(fā)射脈沖的方波與接收到超聲波的方波信號之間的時(shí)間，用于風(fēng)速的計(jì)算。高精度測量時(shí)間電路為本領(lǐng)域的公知常識，此處不再過多進(jìn)行描述。基本的風(fēng)速計(jì)算原理就是用兩個(gè)超聲波傳感器之間的距離除以超聲波傳送的時(shí)間， 得到超聲波的實(shí)際速度，用超聲波的實(shí)際速度減去聲速，即得到風(fēng)速的數(shù)值，根據(jù)速度矢量即可計(jì)算出風(fēng)向。由于超聲波傳感器的探頭探測到的信號非常微弱，因此需要進(jìn)行信號放大，用于信號放大的初級放大電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了消除干擾信號進(jìn)入模擬系統(tǒng)，對放大后的信號進(jìn)行帶通濾波，消除低頻和高頻噪聲。模擬帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，帶通濾波器采用MAX275設(shè)計(jì)，通過設(shè)置外部電阻可以設(shè)置相應(yīng)的中心頻率，帶通濾波器帶寬， 放大增益。為了使得回波峰值波形更加精確平滑，將回波負(fù)半軸的信號進(jìn)行絕對值變換，得到兩倍于原回波頻率的值頻率，絕對值變換電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。進(jìn)一步使用峰值保持電路變換后，得到的波形將非常平滑，有利于后期的進(jìn)一步處理。峰值保持電路的結(jié)構(gòu)如圖 5所示，峰值保持電路是將波形的正峰值平滑的連結(jié)起來，得到一個(gè)峰值曲線，這個(gè)曲線包含了回波信號的整體特性，為進(jìn)行下一步的比較器電路提供精確的波形，該波形越平滑，測量時(shí)間的精度越高，是模擬電路捕捉超聲波回波信號的關(guān)鍵。峰值保持電路采用經(jīng)典二極管峰值保持電路，采用高速檢波二極管IN60，后面經(jīng)過阻容低通濾波器濾除高頻噪聲信號。將前端模擬電路處理后的回波包絡(luò)送入積分電路，積分電路將包絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為方波信號。采用較小的積分電阻，將積分電容迅速充電，使得運(yùn)放輸出迅速飽和，達(dá)到供電電源電壓值。最后將包絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為方波信號，該方波信號送入高速比較器后得到更加陡峭的方波信號，送入時(shí)間測量電路。積分低通濾波電路和比較器的電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。本實(shí)用新型所提供的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量裝置采用四個(gè)收發(fā)一體式超聲波傳感器，系統(tǒng)高壓脈沖信號發(fā)射電路和回波模擬處理電路是共用電路，系統(tǒng)通過控制模擬開關(guān)來導(dǎo)通相應(yīng)的測量通道。定義四個(gè)超聲波傳感器位置分別為N、S、W、E。測量順序是，N-> S，W- > E，S- > N, E- > W。當(dāng)發(fā)射高壓脈沖電路接通N端時(shí)，回波信號處理模擬電路輸入端接通S端。依次順序分別測量超聲波信號的度越時(shí)間，根據(jù)測量原理計(jì)算出當(dāng)前的風(fēng)速和風(fēng)向值。為了防止出現(xiàn)控制通道錯(cuò)誤，采用二四譯碼器74LVH139控制超聲波收發(fā)通道。 發(fā)射信號模擬開關(guān)控制電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，接收信號模擬開關(guān)控制電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量裝置所測得的數(shù)據(jù)通過RS485接口對外傳輸，為了提高該接口的可靠性，采用隔離型RS485接口 RSM3485模塊，在總線接口有TVS和ESD保護(hù)二極管， 大大增強(qiáng)了通訊接口的可靠性。RS485接口的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。為了防止在寒冷的季節(jié)傳感器結(jié)冰，在測量裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)加熱絲和測溫電阻 PT1000。使用MSP430F2274的模擬測量通道，測量PT1000電阻的大小，通過查表換算為當(dāng)前溫度。當(dāng)溫度低于零下5°C的時(shí)候啟動(dòng)加熱絲供電，加熱到10°C的時(shí)候再停止加熱。通過光耦控制N-MOSFET IRLLl 10的通斷控制加熱絲的電源供電，加熱控制電路如圖10所示。整個(gè)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置的控制與運(yùn)算通過主控制系統(tǒng)電路完成，主控制系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)如圖11所示。主控制系統(tǒng)電路主要負(fù)責(zé)測量電路的通道切換控制以及對采集結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)算。該電路部分設(shè)有看門狗電路，增加系統(tǒng)的可靠性，每200ms執(zhí)行一次喂狗程序，在)(5043芯片中還存有系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)以及通信協(xié)議有關(guān)的定義。本實(shí)用新型的軟件系統(tǒng)采用C/C++編程，采用IAR開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)對超聲波傳感器的測量通道控制、超聲波信號源產(chǎn)生、時(shí)間測量，最后解算出風(fēng)速和風(fēng)向。
權(quán)利要求1.一種高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于包括正交分布設(shè)置在同一水平面上的兩對超聲波傳感器，每對超聲波傳感器之間互相發(fā)送和接收超聲波信號；每個(gè)超聲波傳感器的信號發(fā)送端通過發(fā)射信號模擬開關(guān)與高壓脈沖信號發(fā)生器連接；每個(gè)超聲波傳感器的信號接收端通過接收信號模擬開關(guān)與模擬處理電路連接。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于所述的超聲波傳感器為高頻收發(fā)一體式超聲波傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于每對的兩個(gè)超聲波傳感器的探頭之間的距離為15厘米。
4.如權(quán)利要求1所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于所述的模擬處理電路包括與接收信號模擬開關(guān)連接的初級放大電路，初級放大電路與模擬帶通濾波器連接，模擬帶通濾波器連接絕對值變換電路，絕對值變換電路與峰值保持電路相連接，峰值保持電路連接積分低通濾波電路，積分低通濾波電路連接比較器電路，比較器電路與高精度測量時(shí)間電路連接，高精度測量時(shí)間電路連接高壓脈沖信號發(fā)生器。
5.如權(quán)利要求4所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于所述的發(fā)射信號模擬開關(guān)、接收信號模擬開關(guān)、模擬處理電路、高壓脈沖信號發(fā)生器分別與主控制系統(tǒng)電路連接。
6.如權(quán)利要求5所述的高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于所述的主控制系統(tǒng)電路還分別與RS485接口電路和傳感器溫控加熱電路連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種測量風(fēng)速和風(fēng)向的儀器，具體涉及一種高精度固態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測量裝置。其結(jié)構(gòu)包括正交分布設(shè)置在同一水平面上的兩對超聲波傳感器，每對超聲波傳感器之間互相發(fā)送和接收超聲波信號；每個(gè)超聲波傳感器的信號發(fā)送端通過發(fā)射信號模擬開關(guān)與高壓脈沖信號發(fā)生器連接；每個(gè)超聲波傳感器的信號接收端通過接收信號模擬開關(guān)與模擬處理電路連接。本實(shí)用新型采用固態(tài)傳感器手段測量，沒有啟動(dòng)風(fēng)速的要求，沒有測量慣性，壽命較長。同時(shí)，測量精度較高，測量速度快。
文檔編號G01P13/02GK202339352SQ20112039005
公開日2012年7月18日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者劉勇, 劉洪良, 李傳崗, 蔡延財(cái), 趙華 申請人:趙華