超聲波檢測風速風向的三種方法

馬曉明

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

【關鍵詞】超聲波;風速;風向

目前國內(nèi)外風速風向傳感器可以分為三類。第一類為螺旋槳式傳感器，第二類為三杯式測量風速、單翼式測量風向的傳感器，第三類為超聲波傳感器。其中超聲波傳感器測量與其他兩類相比具有其獨特的優(yōu)點：它沒有機械轉(zhuǎn)動部件，不存在磨損問題;超聲波頻率快，測量精度高等。

1.超聲波測量風速的基本原理

超聲波在空氣中傳播時，順風與逆風方向傳播存在一個速度差，當傳播固定的距離時，此速度差反映成一個時間差，這個時間差與待測風速具有線性關系[1]。

對于特定方向的風速測量，可以采用一對收發(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，通過測量兩個方向上超聲波到達時間，即可得到超聲波在順風和逆風下的傳播速度，經(jīng)過系統(tǒng)處理計算即可得到風速值。

圖1 超聲波檢測風速原理

如圖1所示，假設傳感器1到傳感器2的方向為風向，兩超聲波傳感器距離為d，超聲波由傳感器1到傳感器2的時間的t12，傳感器2到傳感器1的時間為t21，風速為V，超聲波傳播速度為Vu，那么可以得到：

從而 ? ? ? ? ? ? ? （1）

從式中可以看出風速的測量沒有包含影響風速測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系統(tǒng)測量精度的影響。

圖2 垂直放置方法檢測原理

2.超聲波測量風向的三種方法

2.1 垂直放置方法

如圖2所示，設兩對超聲波傳感器距離均為d，x軸方向的傳輸時間分別為t12和t21，y軸方向的傳輸時間分別為t34和t43，風速為V，x軸方向的風速為Vx，y軸方向的風速為Vy，超聲波傳播速度為Vu。根據(jù)公式（1）可得：

x軸方向的風速，y軸方向的風速

風速

設x軸正方向為0o，角度按逆時針方向增大，則風向：

化簡并求反函數(shù)：

隨著風向的變化，可得某時刻風向為：

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

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的時間分別為t1、t2、t3和t4。此方法與垂直放置方法的計算方式相同，因此我們可以直接得到：

風速

隨著風向的變化，某時刻的風向為：

2.3 等邊三角放置方法

如圖4所示，設超聲波傳感器距離為d，傳感器1到傳感器2的傳播時間為t12，傳感器2到傳感器3的傳播時間為t23，傳感器3到傳感器1的傳播時間為t31。風速為V，超聲波速度為Vu，此時風速與x軸的夾角為θ。

我們可以得到：

化簡可得：

由式可得：

3.超聲波測量風速風向系統(tǒng)設計

3.1 硬件設計

硬件我們采用HC-SR04超聲波模塊和S3C2440處理器進行連接。HC-SR04超聲波模塊可提供范圍2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到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引腳，其中VCC連接開發(fā)板的5V電源接口，GND為地線，TRIG觸發(fā)控制信號輸入，ECHO回響信號輸出，TRIG和ECHO均連接開發(fā)板GPIO接口。超聲波傳感器根據(jù)測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)具體情況進行設計，垂直方法輸入輸出同時工作;中心發(fā)射方法中心位置的傳感器朝四個方向發(fā)射不接收，四個方向的傳感器接收不發(fā)射;三角放置方法輸入輸出同時工作，但要保證60o角。

3.2 軟件設計

軟件基于Linux平臺進行程序開發(fā)，通過Qt實現(xiàn)了軟件界面化，程序流程如圖5所示。

設計原理為利用單片機產(chǎn)生信號，經(jīng)放大后驅(qū)動傳感器發(fā)射超聲波，等待接收信號，單片機通過計時器對發(fā)射時間和接收時間進行判斷，計算出傳播時間，通過分析處理計算出風速風向值，最后將結(jié)果傳輸給開發(fā)板顯示單元。

4.三種測試方法的比較

超聲波傳播速度Vu易受空氣溫度影響，三種測試方法的共同點是避免了不同環(huán)境下超聲波傳播速度的不同對系統(tǒng)測量精度造成的影響[2]。其中垂直放置方法實現(xiàn)簡單方便，計算量小，缺點是同一方向上同時發(fā)射兩條超聲波，會對測量精度產(chǎn)生影響。中心發(fā)射方法與垂直放置方法類似，但是同一時間某段距離只有一條超聲波傳播，測量精度最高，缺點是傳感器需求較多，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方向上同時傳播對測量結(jié)果造成的影響，同時傳感器需求最少，缺點是計算量最大，硬件初始設計時對傳感器位置要求嚴格，否則產(chǎn)生的誤差最大。

5.結(jié)論

三種超聲波測量風速風向的方法都實現(xiàn)了對風速風向的測量，達到了系統(tǒng)設計的目的。三種方法都有其優(yōu)缺點，根據(jù)需求的不同選用合適的風速風向測量方法，對風速風向的測量具有參考意義。

參考文獻

[1]金晶，唐慧強.基于ARM的超聲波風速檢測系統(tǒng)設計[D].南京：南京信息工程大學，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.