. 一種三維超聲波風速風向檢測系統(tǒng)，其特征在于：包括有安裝座、數(shù)個測量臂、與測 量臂相應數(shù)量的超聲波探頭和控制及處理電路板，其中一個測量臂固定在安裝座頂面的中 心部位，其余測量臂圍設在安裝座頂面的周圈，超聲波探頭設在測量臂的頂端，控制及處理 電路板設在安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與超聲波探頭連接并控制超聲波探頭的工作。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種三維超聲波風速風向檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的測 量臂設有四個，圍設在安裝座頂面周圈的測量臂設有三個，安裝座頂面周圈的相鄰測量臂 之間的夾角為120°，安裝座頂面周圈的三個測量臂頂端的超聲波探頭處于同一水平面。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種三維超聲波風速風向檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的控 制及處理電路板為印刷電路板，用于控制和驅(qū)動各超聲波探頭的接收和發(fā)送，以及對接收 信號進行處理，得到風速和風向信息，控制及處理電路板包括：與超聲波探頭對應數(shù)量的收 發(fā)模塊、模擬開關模塊、放大濾波模塊、信號截取模塊、包絡提取模塊、滯回比較模塊、控制 及數(shù)據(jù)處理模塊和通信接口，其中各收發(fā)模塊與對應的超聲波探頭連接，用于驅(qū)動超聲波 探頭發(fā)出超聲波和接收空間中的超聲波信號，并將該超聲波收發(fā)信號轉化為電信號，收發(fā) 模塊的控制信號由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，各收發(fā)模塊的輸出端分別與模擬開關模塊的 輸入端連接，模擬開關模塊的控制信號由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，模擬開關模塊的輸出 端與放大濾波模塊連接，通過控制及數(shù)據(jù)處理模塊的控制，模擬開關模塊將發(fā)射信號和需 要的接收信號傳遞給放大濾波模塊，阻止不需要的信號通過；放大濾波模塊對模擬開關模 塊的輸出信號進行放大和濾波，放大濾波模塊的輸出端與信號截取模塊連接，信號截取模 塊截取放大濾波模塊輸出的信號軸線以上的信號，并傳遞給包絡提取模塊，包絡提取模塊 對信號截取模塊的輸出信號進行包絡提取，并將其翻轉到軸線下方，包絡提取模塊的輸出 端與滯回比較模塊的輸入端連接，滯回比較模塊通過一個滯回比較器將包絡提取模塊的信 號轉化為兩個脈沖，并傳遞給控制及數(shù)據(jù)處理模塊，控制及數(shù)據(jù)處理模塊控制系統(tǒng)的運行、 對接收數(shù)據(jù)進行處理得到風速風向和通過串行通信接口與處部儀器儀表進行通信，其核心 是一塊微處理器；通信接口與控制及數(shù)據(jù)處理模塊中微處理器的串行通信口連接，通信接 口為RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
4. 一種三維超聲波風速風向的測量方法，其具體方法如下所述： 第一步、系統(tǒng)上電后，控制及數(shù)據(jù)處理模塊對各模塊進行初始化，然后依次驅(qū)動安裝座 頂面周圈的超聲波探頭發(fā)出十個脈沖的超聲波信號，此時通過模擬開關模塊選通安裝座頂 面中心部位的超聲波探頭作為接收探頭，該超聲波探頭將接收到的超聲波信號轉化為電信 號，該電信號和發(fā)射信號經(jīng)過模擬開關模塊、放大濾波模塊、信號截取模塊、包絡提取模塊、 滯回比較模塊后進入控制及數(shù)據(jù)處理模塊的捕獲引腳，通過處理器的捕獲功能分別測得滯 回比較模塊輸出的兩個脈沖下降沿之間的時間差得到超聲波從安裝座頂面周圈的超聲波 探頭到安裝座頂面中心部位的超聲波探頭的傳遞時間tl、t2、t3 ;然后三次驅(qū)動安裝座頂 面中心部位的超聲波探頭發(fā)出十個脈沖的超聲波信號，分別選通安裝座頂面周圈的超聲波 探頭作為接收探頭，得到超聲波從安裝座頂面周圈的超聲波探頭到安裝座頂面中心部位的 超聲波探頭的傳遞時間t4、t5、t6 ; 第二步、根據(jù)傳遞時間tl和t4采用間接時差法可得到風速沿安裝座頂面周圈的第一 個超聲波探頭與安裝座頂面中心部位的超聲波探頭方向上的風速分量VI，間接時差法的原 理如下： 設聲速為C，風速分量VI指向安裝座頂面周圈的第一個超聲波探頭，則超聲波從安裝 座頂面中心部位的超聲波探頭傳播到安裝座頂面周圈的任一超聲波探頭為順風，此時，超 聲波的傳播速度為： VS24S21=C+V1 設上述兩個超聲波探頭間的距離為d，則超聲波的傳播時間為：
超聲波為逆風時，超聲波的傳播速度為： VS21S24=C-V1 超聲波的傳播時間為：
在第一步中已測得tl和t4,即可得到該測量面上的風速值：
同樣根據(jù)傳遞時間t2和t5采用間接時差法可得到風速沿安裝座頂面周圈的第二個超 聲波探頭與安裝座頂面中心部位的超聲波探頭方向上風速分量V2 ;根據(jù)傳遞時間t3和t6 采用間接時差法可得到風速沿安裝座頂面周圈的第三個超聲波探頭與安裝座頂面中心部 位的超聲波探頭方向上的風速分量V3 ; 第三步、對風速分量VI、V2、V3進行矢量合成就可得到三維的風速值和風向值； 第四步、將上述的第一步至第三步進行循環(huán)能夠得到實時的三維風速和風向，控制及 數(shù)據(jù)處理模塊通過通信接口能夠?qū)崟r向外部儀器儀表輸出風速和風向。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維超聲波風速風向檢測系統(tǒng)及測量方法，檢測系統(tǒng)包括有安裝座、數(shù)個測量臂、與測量臂相應數(shù)量的超聲波探頭和控制及處理電路板，其中一個測量臂固定在安裝座頂面的中心部位，其余測量臂圍設在安裝座頂面的周圈，超聲波探頭設在測量臂的頂端，控制及處理電路板設在安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與超聲波探頭連接并控制超聲波探頭的工作。測量方法如下所述：第一步、控制及數(shù)據(jù)處理模塊對各模塊進行初始化；第二步、根據(jù)傳遞時間t1和t4采用間接時差法可得風速分量V1；第三步、得到三維的風速值和風向值；第四步、得到實時的三維風速和風向；有益效果：接收信號穩(wěn)定；大大降低了儀器成；測量精度高，實時性好。
【IPC分類】G01P13-02, G01P5-24
【公開號】CN104569485
【申請?zhí)枴緾N201510041493
【發(fā)明人】朱蘭香, 梁亮, 常大俊, 龔大龍, 王金環(huán), 崔立波, 賈友波, 董勁峰, 王皓, 石要武
【申請人】長春建筑學院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月27日