本實(shí)用新型屬于超聲波測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

隨著時(shí)代的發(fā)展,風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量廣泛應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)之中，特別在氣象領(lǐng)域，高精度風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量更是有著不可忽視的作用。目前，風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法主要分為三類，第一類：翼狀風(fēng)速計(jì)和杯狀風(fēng)速計(jì)，但這類測(cè)量方式受限于機(jī)械摩擦的阻力，多應(yīng)用于風(fēng)速較大的情況；第二種：熱敏風(fēng)速計(jì)，但測(cè)量方式局限于人為的干預(yù)，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；第三種：超聲波測(cè)風(fēng)儀，它是一種高精度風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的儀器。現(xiàn)有技術(shù)中，超聲波測(cè)風(fēng)儀得到越來越廣泛的應(yīng)用。

超聲波測(cè)風(fēng)方法主要有時(shí)差法、多普勒法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，其中時(shí)差法應(yīng)用最為普遍。但現(xiàn)有技術(shù)中，常用的基于時(shí)差法的超聲波測(cè)風(fēng)儀由于裝置本身結(jié)構(gòu)的原因很大程度上會(huì)影響風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)儀的溫度傳感器封裝在器件內(nèi)，無法精確測(cè)量外界的冷暖氣流；并且放置在裝置內(nèi)部，所測(cè)溫度會(huì)受內(nèi)部電路發(fā)熱的影響；在裝置上，超聲波傳感器上方位置缺少保護(hù)措施也會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度，此外，當(dāng)風(fēng)度較大時(shí)會(huì)引起超聲波傳感器的震動(dòng)，會(huì)造成收發(fā)傳感器之間固定距離發(fā)生變化；再者，超聲波測(cè)風(fēng)儀仍然廣泛地釆用傳統(tǒng)的8/16位單片機(jī)，使得測(cè)量精度偏低。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中超聲波測(cè)風(fēng)儀或超聲波測(cè)風(fēng)裝置仍存在測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確問題急需解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中超聲波傳感器容易受外界溫度或震動(dòng)影響導(dǎo)致測(cè)量精度不高的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置，其特征是，包括安裝座、超聲波傳感器、溫度傳感器和設(shè)置在安裝座內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元，安裝座的正上方設(shè)有圓形防護(hù)罩，安裝座的四周均勻排列有四個(gè)支柱，四個(gè)支柱與安裝座的連接處設(shè)有加強(qiáng)筋，四個(gè)支柱的頂端與防護(hù)罩固接，每個(gè)支柱上固定有超聲波傳感器，四個(gè)超聲波傳感器分為兩組，分別布置于同一水平面內(nèi)正交的兩個(gè)軸線上，兩兩水平相對(duì)，溫度傳感器設(shè)置在安裝座上正對(duì)防護(hù)罩的表面，溫度傳感器的上方設(shè)有保護(hù)罩，兩組超聲波傳感器分別連接風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元，溫度傳感器的輸出端連接風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元，風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元依據(jù)兩組超聲波傳感器之間的距離、傳輸時(shí)間以及溫度信號(hào)，獲得當(dāng)前溫度下的風(fēng)速和風(fēng)向。

進(jìn)一步的，所述風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元包括超聲波驅(qū)動(dòng)接收電路、信號(hào)處理模塊、FPGA采集模塊、ARM處理器和顯示模塊，超聲波驅(qū)動(dòng)接收電路分別連接四個(gè)超聲波傳感器，用于發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)打開超聲波傳感器的發(fā)射或接收通道；FPGA采集模塊依次連接信號(hào)處理模塊和超聲波驅(qū)動(dòng)接收電路，信號(hào)處理模塊用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理，F(xiàn)PGA采集模塊采集兩組超聲波傳感器之間的傳輸時(shí)間輸出至ARM處理器，溫度傳感器的輸出端連接ARM處理器，顯示模塊的輸入端連接ARM處理器。

進(jìn)一步的，所述風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元還包括串口通信模塊和上位機(jī)，ARM處理器通過串口通信模塊與上位機(jī)連接。

進(jìn)一步的，所述信號(hào)處理模塊包括二階有源低通濾波器。

進(jìn)一步的，所述溫度傳感器包括溫度檢測(cè)電路和放大電路，溫度檢測(cè)電路包括熱敏電阻PT100，放大電路包括運(yùn)算放大器AD620，溫度檢測(cè)電路輸出電壓信號(hào)經(jīng)放大電路放大后輸入ARM處理器。

進(jìn)一步的，還包括電源模塊，電源模塊包括5V電壓源和降壓電路，降壓電路包括HT7133穩(wěn)壓芯片，5V電壓源經(jīng)降壓電路輸出3.3V電壓，為超聲波數(shù)據(jù)采集模塊和ARM處理器供電。

進(jìn)一步的，HT7133穩(wěn)壓芯片的輸入端與接地端之間連接有2.2μF電容，輸出端與接地端之間并聯(lián)4.7μF電容和0.1μF電容。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果是：本實(shí)用新型裝置在安裝座的正上方設(shè)有圓形防護(hù)罩，可以完全遮蓋住超聲波傳感器，能夠有效防止惡劣環(huán)境對(duì)超聲波傳感器的影響；四個(gè)支柱與安裝座的連接處設(shè)有加強(qiáng)筋，可以防止風(fēng)速過大而引起支柱的震動(dòng)影響測(cè)量精度。溫度傳感器設(shè)置在安裝座的外面，可以精確測(cè)量外界的冷暖氣流，并且溫度傳感器的上方設(shè)有保護(hù)罩，可以保護(hù)溫度傳感器，防止易損。本實(shí)用新型硬件上采用ARM+FPGA的結(jié)構(gòu)，滿足了高速的時(shí)鐘信號(hào)的測(cè)量，同時(shí)32位的微處理器符合高速信號(hào)處理性能，這種方式可以提高對(duì)接收信號(hào)的采樣精度。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、方案易實(shí)現(xiàn)，具有很高實(shí)用價(jià)值，便于推廣使用。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置的原理框圖。

圖3是信號(hào)處理模塊的電路圖。

圖4是放大電路的電路圖。

圖5是電源模塊的電路圖。

附圖標(biāo)記：1、安裝座；2、支柱；3、超聲波傳感器；4、防護(hù)罩；5、溫度傳感器；6、保護(hù)罩；7、加強(qiáng)筋。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本實(shí)用新型的一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置，包括安裝座1、超聲波傳感器3、溫度傳感器5和設(shè)置在安裝座1內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元，安裝座1的正上方設(shè)有圓形防護(hù)罩4，安裝座1的四周均勻排列有四個(gè)支柱2，四個(gè)支柱2與安裝座1的連接處設(shè)有加強(qiáng)筋7，將支柱2與安裝座1進(jìn)行加固處理，防止風(fēng)速過大而引起支柱2的震動(dòng)影響測(cè)量精度。四個(gè)支柱2的頂端與防護(hù)罩4固接，每個(gè)支柱2上固定有超聲波傳感器3，四個(gè)超聲波傳感器3分為兩組，分別布置于同一水平面內(nèi)正交的兩個(gè)軸線上，兩兩水平相對(duì)，防護(hù)罩4罩在支柱2的上端，可以完全遮蓋住超聲波傳感器3，能夠有效防止惡劣環(huán)境對(duì)超聲波傳感器的影響。溫度傳感器5設(shè)置在安裝座1上正對(duì)防護(hù)罩4的表面，可以精確測(cè)量外界的冷暖氣流，并且溫度傳感器5的上方設(shè)有保護(hù)罩6，可以保護(hù)溫度傳感器，防止易損。

兩組超聲波傳感器3分別連接風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元，溫度傳感器5的輸出端連接風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元，風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元依據(jù)兩組超聲波傳感器之間的距離、傳輸時(shí)間以及溫度信號(hào)，獲得當(dāng)前溫度下的風(fēng)速和風(fēng)向。

超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置的原理框圖如圖2所示，風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元包括超聲波驅(qū)動(dòng)接收電路、信號(hào)處理模塊、FPGA采集模塊、ARM處理器和顯示模塊，超聲波驅(qū)動(dòng)接收電路分別連接四個(gè)超聲波傳感器，用于發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)打開超聲波傳感器的發(fā)射或接收通道，F(xiàn)PGA采集模塊依次連接信號(hào)處理模塊和超聲波驅(qū)動(dòng)接收電路，F(xiàn)PGA采集模塊采集兩組超聲波傳感器之間的傳輸時(shí)間輸出至ARM處理器，溫度傳感器的輸出端連接ARM處理器，顯示模塊的輸入端連接ARM處理器。

其中ARM處理器可采用現(xiàn)有技術(shù)中STM32F103ZET6芯片，ARM架構(gòu)，32位處理器，處理能力強(qiáng)，功耗低，且自帶AD轉(zhuǎn)換接口；FPGA采集模塊采用現(xiàn)有技術(shù)中EP2C8Q208C8芯片，內(nèi)部采用高精度有源晶振，能夠完成輸出精準(zhǔn)脈沖信號(hào)和精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)功能，與ARM處理器通過SPI或FSMC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；硬件上采用ARM+FPGA的結(jié)構(gòu)，滿足了高速的時(shí)鐘信號(hào)的測(cè)量，同時(shí)32位的微處理器符合高速信號(hào)處理性能，這種方式可以提高對(duì)接收信號(hào)的采樣精度。顯示模塊可以采用現(xiàn)有技術(shù)中常用的顯示屏，設(shè)置在安裝座的側(cè)壁上，方便用戶查看當(dāng)前溫度、風(fēng)速和風(fēng)向。

超聲波驅(qū)動(dòng)接收電路接受FPGA采集模塊的控制指令，發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)打開或關(guān)閉超聲波傳感器的發(fā)射或接收通道。

信號(hào)處理模塊包括二階有源低通濾波器，其電路圖參考圖3，包括運(yùn)算放大器、電阻R1、電阻R2、電容C1、電容C2和電阻R3。超聲波傳感器接收的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊進(jìn)行濾波和放大處理，調(diào)整為完整的方形波，能夠提高信號(hào)的識(shí)別度。運(yùn)算放大器采用MAX4416芯片，能夠保證信號(hào)的不失真性，而且轉(zhuǎn)換速率快。

溫度傳感器包括溫度檢測(cè)電路和放大電路，溫度檢測(cè)電路包括熱敏電阻Pt100，放大電路包括運(yùn)算放大器AD620，溫度檢測(cè)電路輸出電壓信號(hào)經(jīng)放大電路放大后輸入ARM處理器。溫度檢測(cè)電路中包括一個(gè)恒流源電路使得通過Pt100 的電流恒定不變，這時(shí)當(dāng)溫度變化時(shí)Pt100 的阻值發(fā)生變化，電壓也就能發(fā)生相應(yīng)的線性變化，只要通過對(duì)Pt100兩端的電壓進(jìn)行采集就能測(cè)得外界環(huán)境的溫度。溫度檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)行濾波和放大，放大電路的原理圖參考圖4，AD620運(yùn)算放大器具有良好的放大能力，AD620的增益接口RG之間連接電阻R5，通過電阻R5的阻值來調(diào)整增益，增益范圍比較寬，可達(dá)到1000倍。AD620運(yùn)算放大器的電壓范圍比較寬，正電壓范圍為2.3V~18V，負(fù)電壓范圍為-18V~-2.3V，利于電路的匹配。AD620輸出的模擬電壓信號(hào)輸入ARM處理器的AD轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ARM處理器根據(jù)電壓信號(hào)的數(shù)值和Pt100電阻的溫度阻值特性，可以得到當(dāng)前的溫度。

本實(shí)用新型的工作過程為，令四個(gè)超聲波傳感器分別為位于西方位的超聲波傳感器一，位于東方位的超聲波傳感器三，位于南方位的超聲波傳感器二和位于北方位的超聲波傳感器四，超聲波傳感器三和一為一組，位于東西方位，設(shè)為x軸，超聲波傳感器四和二為一組，位于南北方位，設(shè)為y軸，F(xiàn)PGA采集模塊采用有源晶振，輸出頻率為50HZ的脈沖信號(hào)，控制超聲波驅(qū)動(dòng)接收電路，先打開東西方向的超聲波傳感器一的發(fā)送通道、超聲波傳感器三的接收通道，F(xiàn)PGA采集模塊測(cè)得超聲波傳輸時(shí)間，關(guān)閉當(dāng)前的收發(fā)通道，然后打開超聲波傳感器三的發(fā)送通道、超聲波傳感器一的接收通道，測(cè)得超聲波傳輸時(shí)間，F(xiàn)PGA采集模塊將采集的傳輸時(shí)間和發(fā)送至ARM處理器，ARM處理器根據(jù)已知的超聲波傳感器一和三之間的距離，可計(jì)算得x軸方向的風(fēng)速，同理，南北方向的超聲波傳感器二和四重復(fù)測(cè)量過程，測(cè)得傳輸時(shí)間和，ARM處理器可計(jì)算得y軸方向的風(fēng)速，在計(jì)算x軸方向和y軸方向風(fēng)速的矢量和得到實(shí)際風(fēng)速，設(shè)x軸正方向?yàn)?°，根據(jù)x軸方向風(fēng)速與風(fēng)速的關(guān)系可得此刻的風(fēng)向。溫度傳感器測(cè)得外界的溫度發(fā)送至ARM處理器，ARM處理器獲得當(dāng)前的溫度，ARM處理器將當(dāng)前的溫度、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)輸出至顯示模塊進(jìn)行顯示。

作為優(yōu)選實(shí)施例，風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元還包括串口通信模塊和上位機(jī)，ARM處理器通過串口通信模塊與上位機(jī)連接，ARM處理器將計(jì)算出的風(fēng)速、風(fēng)向和溫度數(shù)據(jù)通過串口上傳至上位機(jī)中，在上位機(jī)中對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向和溫度進(jìn)行修正，例如現(xiàn)有技術(shù)中利用上位機(jī)中Matlab軟件進(jìn)行擬合，得到更精確的計(jì)算公式，將公式傳回ARM處理器中計(jì)算得到修正后的風(fēng)速、風(fēng)向和溫度數(shù)值，ARM處理器也可以將最終計(jì)算得到的風(fēng)速、風(fēng)向和溫度數(shù)值上傳到上位機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)。串口通信模塊采用RS232通信方式。

進(jìn)一步的，還包括電源模塊，電源模塊包括5V電壓源和降壓電路，降壓電路包括HT7133穩(wěn)壓芯片，其電路圖參考圖5，5V電壓源經(jīng)降壓電路輸出3.3V電壓，為FPGA采集模塊和ARM處理器供電。HT7133穩(wěn)壓芯片的輸入端與接地端之間連接有2.2μF電容，消除5V電壓源供電不穩(wěn)而引起的信號(hào)干擾，輸出端與接地端之間并聯(lián)4.7μF電容和0.1μF電容，起到了濾除3.3V輸出電源和地之間干擾信號(hào)的作用。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。