超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，包括發(fā)射接收控制電路、信號放大濾波電路、FPGA主控芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、四個超聲波收發(fā)一體換能器，四個超聲波收發(fā)一體換能器分別匹配連接一路發(fā)射接收電路，四個發(fā)射接收電路均與發(fā)射接收控制電路信號連接，發(fā)射接收控制電路的信號輸出端與信號放大濾波電路連接，信號放大濾波電路的信號輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接，F(xiàn)PGA主控芯片同時連接有溫度檢測模塊、加熱模塊、模擬輸出模塊、RS485數(shù)字輸出模塊、發(fā)射接收控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。本實(shí)用新型具有很好的穩(wěn)定性，沒有機(jī)械磨損，產(chǎn)品的耐久性能良好，不容易出現(xiàn)故障；風(fēng)速測量范圍大；能夠確保在極寒地區(qū)的穩(wěn)定、長時間使用。
【專利說明】
超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測設(shè)備，具體涉及一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。
【背景技術(shù)】
[0002 ] 傳統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向儀是由兩個獨(dú)立的風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器構(gòu)成。
[0003] 風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風(fēng)組件，由三個碳纖維風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為 多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時，通過軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動， 輸出頻率的信號。
[0004] 風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動時，通過軸帶 動碼盤在光電組件縫隙中的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的光電信號對應(yīng)當(dāng)時風(fēng)向的格雷碼輸出。傳感器的 變換器可采用精密導(dǎo)電塑料電位器，從而在電位器活動端產(chǎn)生變化的電壓信號輸出。
[0005] 目前傳統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向儀由于是通過機(jī)械式的轉(zhuǎn)動配合光電傳感器把機(jī)械信號轉(zhuǎn)換 成電信號，所以傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀需要最小啟動風(fēng)速足以吹動三杯風(fēng)組件并帶動風(fēng)向 軸才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的測試，長時間工作機(jī)械組件會容易因磨損產(chǎn)生的故障和測誤;風(fēng)速 過大時，又容易損壞三杯風(fēng)組件和杯架;在極寒天氣下，機(jī)械轉(zhuǎn)動組件會因?yàn)榻Y(jié)冰而轉(zhuǎn)動失 效。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。
[0007] 本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：
[0008] -種超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，包括發(fā)射接收控制電路、信號放大濾波電路、FPGA主控芯 片、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、四個超聲波收發(fā)一體換能器，四個所述超聲波收發(fā)一體換能器分別匹配 連接一路發(fā)射接收電路，四個所述發(fā)射接收電路均與所述發(fā)射接收控制電路信號連接，所 述發(fā)射接收控制電路的信號輸出端與所述信號放大濾波電路連接，所述信號放大濾波電路 的信號輸出端與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接，所述FPGA主控芯片同時連接有溫度檢測模塊、加 熱模塊、模擬輸出模塊、RS485數(shù)字輸出模塊、所述發(fā)射接收控制電路和所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。
[0009] 優(yōu)選地，四個所述超聲波收發(fā)一體換能器兩兩相對成180°且每對超聲波傳感器間 距離相等，并安裝在同一水平面上。
[0010] 優(yōu)選地，所述發(fā)射接收控制電路、所述信號放大濾波電路、所述FPGA主控芯片、所 述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、四個所述發(fā)射接收電路、所述溫度檢測模塊、所述加熱模塊、所述模擬輸 出模塊和所述RS485數(shù)字輸出模塊均通過金屬外殼密封。
[0011]優(yōu)選地，所述溫度檢測模塊的探頭與所述金屬外殼接觸，所述加熱模塊的加熱元 件布置在所述金屬外殼的表面。
[0012]優(yōu)選地，所述金屬外殼設(shè)置有頂蓋，四個所述超聲波收發(fā)一體換能器均位于所述 金屬外殼的頂蓋的下方，四個所述超聲波收發(fā)一體換能器均以45°角朝向所述金屬外殼的 頂蓋。
[0013] 本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0014] 本實(shí)用新型采用超聲波時差法的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測量，超聲波信號在靜 態(tài)介質(zhì)中的速度無關(guān)，與溫度濕度及介質(zhì)也無關(guān)，因此具有很好的穩(wěn)定性，沒有機(jī)械磨損， 產(chǎn)品的耐久性能良好，不容易出現(xiàn)故障;風(fēng)速測量范圍大、無最小起動風(fēng)速;采用全金屬外 殼，內(nèi)置加熱功能，外部環(huán)境溫度過低時，可以啟動加熱功能，確保在極寒地區(qū)的穩(wěn)定、長時 間使用。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本實(shí)用新型所述超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的結(jié)構(gòu)框圖；
[0016] 圖2為以南北方向的風(fēng)速測量為例的風(fēng)速風(fēng)向分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：
[0018] 如圖1所示，本實(shí)用新型包括發(fā)射接收控制電路、信號放大濾波電路、FPGA主控芯 片、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、四個超聲波收發(fā)一體換能器，四個超聲波收發(fā)一體換能器分別匹配連接 一路發(fā)射接收電路，四個發(fā)射接收電路均與發(fā)射接收控制電路信號連接，發(fā)射接收控制電 路的信號輸出端與信號放大濾波電路連接，信號放大濾波電路的信號輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電 路連接，F(xiàn)PGA主控芯片同時連接有溫度檢測模塊、加熱模塊、模擬輸出模塊、RS485數(shù)字輸出 模塊、發(fā)射接收控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。
[0019]發(fā)射接收控制電路、信號放大濾波電路、FPGA主控芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、四個發(fā)射 接收電路、溫度檢測模塊、加熱模塊、模擬輸出模塊和RS485數(shù)字輸出模塊均通過金屬外殼 密封。溫度檢測模塊的探頭與金屬外殼接觸，加熱模塊的加熱元件布置在金屬外殼的表面。 金屬外殼設(shè)置有頂蓋，四個超聲波收發(fā)一體換能器均位于金屬外殼的頂蓋的下方，四個超 聲波收發(fā)一體換能器均以45°角朝向金屬外殼的頂蓋。
[0020] 下面對本專利中各個部件的功能進(jìn)行描述：
[0021] 超聲波收發(fā)一體換能器：
[0022] 本方案用到四個超聲波收發(fā)一體換能器，作用是把電信號與超聲波信號進(jìn)行相互 轉(zhuǎn)換。
[0023]發(fā)射接收電路：
[0024]四個超聲波收發(fā)一體換能器分別與之匹配一路發(fā)射接收電路，其作用是:發(fā)射時 為超聲波收發(fā)一體換能器提供高壓電壓，接收時為接收到的微弱信號提供通路，并隔離直 流。
[0025]發(fā)射接收控制電路：
[0026]其作用是控制超聲波收發(fā)一體換能器的發(fā)射和接收的狀態(tài)，確保同一時刻只有一 個換能器處理發(fā)射狀態(tài)，也只有對應(yīng)的一個超聲波換能器處于接收狀態(tài)，保持四個超聲波 換能器處于正確的接收邏輯狀態(tài)。
[0027]信號放大濾波電路：
[0028]其作用是把超聲波換能器接收到的微弱電壓信號放大到FPGA主控芯片可以接受 的范圍，并對接收到的信號進(jìn)行濾波處理，除去噪聲信號。
[0029] 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：
[0030] 其作用是把經(jīng)過放大后的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送到FPGA主控芯 片。
[0031] FPGA主控芯片：
[0032] 其作用是用來存儲程序，控制整個電路的工作的邏輯狀態(tài)，控制超聲波的發(fā)射和 接收，計(jì)算收發(fā)過程的時間差并轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的風(fēng)速和風(fēng)向值，編碼輸出至模擬和數(shù)據(jù)接 □ 〇
[0033]溫度檢測模塊：
[0034]其作用是實(shí)時檢測超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀金屬外殼的溫度。
[0035]加熱模塊：
[0036]其作用是用來加熱超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的金屬外殼，避免表面結(jié)冰。
[0037] 實(shí)施例：
[0038]本方案用到四個超聲波收發(fā)一體換能器，兩對超聲波收發(fā)一體換能器相互垂直放 置，兩兩相對成180°且每對超聲波收發(fā)一體換能器間距離相等，并安裝在同一水平面上，分 別表示東、南、西、北，相對的兩個超聲波探頭信號的傳播是通過金屬外殼頂蓋上的相應(yīng)反 射面來實(shí)現(xiàn)的，以相同頻率發(fā)射超聲波信號并測量其順、逆向的傳播時間。
[0039]如圖2所示，以南北方向的風(fēng)速測量為例進(jìn)行分析：
[0043]其中，t為超聲波順風(fēng)傳送的時間，t2為逆風(fēng)傳送的時間，L為收發(fā)探頭之間的距 離，C為聲速，VCOS0為南北方向的風(fēng)速。
[0044] 由上述公式推導(dǎo)分析可得，通過測量順風(fēng)傳播和逆風(fēng)傳播的時間，可得到即時的 風(fēng)速。在超聲波探頭距離固定的情況下，風(fēng)速與信號飛行時間相關(guān)，與超聲信號在靜態(tài)介質(zhì) 中的速度無關(guān)，與溫度濕度及介質(zhì)也無關(guān)。
[0045] 本實(shí)用新型所述超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0046] 測量范圍大：
[0047] 全程采用電子電路進(jìn)行測量采集，沒有機(jī)械磨損，在大風(fēng)速情況下也能穩(wěn)定運(yùn)行， 不會因?yàn)轱L(fēng)速過大而受損。
[0048]惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)：
[0049] 采用全金屬密封外殼，電路工作部分全都安裝在金屬外殼內(nèi)部，外部惡劣環(huán)境不 會對其產(chǎn)生影響，溫度達(dá)低于設(shè)定值時，自動啟動加熱功能，使得風(fēng)速風(fēng)向儀不會因?yàn)闇囟?過低而結(jié)冰凍壞。
[0050] 精度高：
[0051] 采用超聲波時差法的原理，超聲波在空氣中的傳播的穩(wěn)定性很好，1秒鐘可以采樣 200次，配合溫度補(bǔ)償算法，可以得到更加精準(zhǔn)的風(fēng)速風(fēng)向值。
[0052]無需要最小起動風(fēng)速:無需現(xiàn)場調(diào)校。
[0053]以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用 新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保 護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征在于:包括發(fā)射接收控制電路、信號放大濾波電路、 FPGA主控芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、四個超聲波收發(fā)一體換能器，四個所述超聲波收發(fā)一體換能 器分別匹配連接一路發(fā)射接收電路，四個所述發(fā)射接收電路均與所述發(fā)射接收控制電路信 號連接，所述發(fā)射接收控制電路的信號輸出端與所述信號放大濾波電路連接，所述信號放 大濾波電路的信號輸出端與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接，所述FPGA主控芯片同時連接有溫度檢 測模塊、加熱模塊、模擬輸出模塊、RS485數(shù)字輸出模塊、所述發(fā)射接收控制電路和所述數(shù)模 轉(zhuǎn)換電路。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征在于：四個所述超聲波收發(fā)一體換 能器兩兩相對成180°且每對超聲波傳感器間距離相等，并安裝在同一水平面上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征在于:所述發(fā)射接收控制電路、所 述信號放大濾波電路、所述FPGA主控芯片、所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、四個所述發(fā)射接收電路、所 述溫度檢測模塊、所述加熱模塊、所述模擬輸出模塊和所述RS485數(shù)字輸出模塊均通過金屬 外殼密封。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征在于:所述溫度檢測模塊的探頭與 所述金屬外殼接觸，所述加熱模塊的加熱元件布置在所述金屬外殼的表面。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征在于:所述金屬外殼設(shè)置有頂蓋， 四個所述超聲波收發(fā)一體換能器均位于所述金屬外殼的頂蓋的下方，四個所述超聲波收發(fā) 一體換能器均以45°角朝向所述金屬外殼的頂蓋。
【文檔編號】G01P5/24GK205562587SQ201620252096
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】楊震
【申請人】中船重工（成都）炎興電子科技有限公司