基于超声波媒介的智能风速传感器设计

风速风向传感器风速风向传感器是一种用于测量风速和风向的设备，其在气象、环境监测以及工业领域中有广泛应用。

本文将介绍风速风向传感器的原理、构造和应用。

原理风速风向传感器通常基于热线、超声波、动态压力等原理来测量风速，基于光、磁、机械等原理来测量风向。

其中较为常见的是热线原理和超声波原理。

热线原理热线原理是利用一个细长的金属丝来测量风速，该金属丝其实就是一根电热丝，在风速作用下，风会带来一定的冷却效果，使得电热丝温度降低。

通过测量电热丝的电流变化，即可反映风速的大小。

热线风速传感器具有响应速度快、精度高、维护方便等优点。

超声波原理超声波原理是利用超声波传感器来测量风速，其基本原理是将超声波传感器分别安装在风向的东西南北方向上，风速经过超声波传感器时会产生一定的超声波信号的变化，通过对这些变化进行测量即可反映风速的大小。

超声波传感器具有结构简单、响应速度快等优点。

构造风速风向传感器通常由风向传感器、风速传感器、信号处理器、数据采集器等部分组成。

不同类型的传感器其构造和特点也有所不同。

以热线原理的风速传感器为例，其主要由金属丝、加热器、电流调节器、计算器等部分组成。

金属丝作为传感器的核心部件，需要精细加工和严格控制其直径、长度、材料等因素，以确保测量精度。

同时，为了保证传感器的工作可靠性，需要加热器来保持金属丝的合适温度，电流调节器则用于控制加热器加热时的电流大小。

计算器主要用于对电热丝电流变化进行处理和输出。

而风向传感器通常由风向指示器、风向传感器和信号处理器等部分组成，其核心部件是风向传感器。

根据不同的原理，风向传感器通常分为机械式、光电式、电子式等类型。

机械式风向传感器一般由叶轮、方向盘等部件组成，方向盘会受到风的影响而转动，通过对方向盘转角的测量就能够输出风向信息。

应用风速风向传感器在气象、环境监测和工业领域中均有广泛应用。

在气象领域中，风速和风向是影响天气的两个重要因素，而风速风向传感器则是测量这两个因素的重要设备。

高精度超声波测风仪的设计摘要：设计一种能用于低空风速风向测量的新型超声波测风仪。

给出了超声波测风的基本的原理，并对系统采用的互相关时延估计算法进行分析，详细描述了超声波测风仪的系统结构和时序控制。

实验证明：该系统可以精确测量风速与风向，并具有频响快，工作可靠等特点，可以用于机场区域低空风场情况的实时监测。

关键词：超声波测风；互相关检测；超声波传感器Design of ultrasonic anemometer of high precisionAbstract：a new ultrasonic anemometer which is used to measure low-level wind speed and direction is designed .the principle of the ultrasonic wind measurement is described ,and the cross-correlation time delay estimation algorithm of system is analyzed .system cofiguration and timing controll of ultrasonic anemometer are descibed in detail .experiments testify the system can accurately measure wind speed and direction .it also has others advatages ,such as fast frequency response ,good reliability ,etc .so it can be used for realtime monitoring of the situation the low-level wind field at airport.Key words : ultrasonic wind measurement; cross-correlation detection; ultrasonic transducer0前言在民航运输中，风对飞机安全进场离场影响很大：风机起降时必须根据近地面的风速和风向选择适宜的起飞、着陆方向；低空风场情况复杂时（如存在低空风切换[1]）还会根据实际情况推迟或取消航班。

哈尔滨理工大学学报JOURNAL OF HARBIG UNIGERSIFY OF SCIFNCE AND TECHNOLOGY第26卷第）期2061年2月VoO 26 No. 3Fed. 2061超声波相位比较法的风速风向传感器设计牛昊东0，，施云波0，，王 天0，，时启衡0，(0哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，哈尔滨10080；6.哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室,哈尔滨10080)摘 要：针对自然环境中风速风向的准确识别，利用超声波原理设计了风速风向双参数传感器 检测系统。

系统中超声波产生以及接收采用频率为21 kHz 的超声波换能器，超声波传感器利用 超声波相位差法测量风速风向，详细阐述了二维相位差法的测量原理和计算方式，并通过Lissajous曲线验证了该方法的可行性。

系统中运用功能相同的数字芯片替换复杂模拟电路提高了传感器的 集成度。

在风箱中的测试结果表明，信号经鉴相电路处理并通过与ZRQF 餡电阻丝式风速传感器进行对比测量后，验证了其处理速度和精度,所设计的超声波风速风向测试系统在气体流向检测以 及环境监测等方面具有实际有效的使用价值。

关键词：风速测量;超声波传感器;相位差；STM37 ； CD4046DOI : 19. 01938/(. jUust. 502). 5). 5)5 中图分类号：TP219 文献标志码：A文章编号：105-2683(20210)-012-08Desinn of Wind Speed and Diractinn Sensor Bassdon Ultrasonic Phase Comparinon MethodNIU Hao-Wong 13 , SHI Yug-Wo 12 , W4NG Tian 2 , SHI Qi-Weng 1，().School of Measurement-eoxtrol Technology and CommunAatioxs EngineePng : Harbin Univevity of Science and Technology :Harbin 116087 , Chida ；2. The Higher Educational Key Ladoratop for Measuring and Control Technology and Instamentatioxs of HeiOxBiang Province ,Harbin University of Science and Technology , Harbin 156087, Chida)AbstracS : Aiminy nt tho uccurato ihentiUcatiox of wind speed and direction io Oo natural enviroxment , Oowind speed and direction two-parametaz sensoz detection system wus dwiyned by Ptmsonie pOnciplo. Tho uPrasoxic wnva is y enerated io Oo system and Oo uPrasoxic transhucoz with frenpency 21 kHz is used. Tho uPrasoxic sensoz usos tho uPrasoxic phua diWerenco method to mexsure tho wind speed and diaction. Thom —suam —t podcipto and culculatiox method of Oo twoPimensicwU phua diAerenco method are eThomOd. Tho method is veOUed by LissOoxs cuao. F —siOUPy. Renluciny complex analop circuits with Oo sama digital chip ioOo system impavos sensoz inteyratiox . Tho test results io tho bellows show thut Oo sipnal is pacessed by OophuoPbutOn circuit and compared with ZRQF platinum asisOnca wire typo wind speed sensoz to vaoU Oo pacessiny speed and xkuooy. Tho dwipuW uPrasoxic wind speed and direction test system io Oo yus C ow direction detection and enviaxment moximOny and othoz aspects huva practicul and Wfectiva detection andenviaxmental moniuOny.Keywords : wind speed m —suament ； ultrasoxic sensoz ; pPasa differenco ; STM37 ; CD4746收稿日期：2610 -59 -0/基金项目：国防基础科研计划项目(JCKY27i741C073).作者简介：牛昊东(193—)男，硕士研究生；王 天(198/—)男，博士研究生•通信作者：施云波(190—/，男，博士，教授，博士研究生导师,E -mail ：zPiyyndo@ 17. com.第)期牛吴东等:超声波相位比较法的风速风向传感器设计130引言年来，国家推出保措施，加大了对新源产业的度2业发°为了提高发电机组，就要准确向作为控制 [7°不新能源领域，在传统工业中2向传感器可以配合气体传感器对化工厂内害气体的流向检测[],降害损°的准确测量对害预防、风力发领域的意义°前 的主热线式J彗式、机以及超声波⑷。

风能利用的风向与风速传感器设计与校准风能利用是一种可再生的能源，被广泛应用于发电、供暖以及城市规划等领域。

其中，风向与风速传感器是关键的组成部分，用于监测和测量风能利用系统中的风向和风速。

风向与风速传感器的设计与校准对于确保风能利用系统的稳定运行至关重要。

本文将介绍风向与风速传感器的设计原理、结构及校准方法。

一、风向传感器设计与校准风向传感器主要用于测量风的方向，常用的设计原理包括机械式传感器和电子式传感器。

1. 机械式传感器机械式风向传感器常采用风向导叶和风向开关相结合的方式。

它的工作原理是风向导叶受到风的作用，转动到与风向一致的角度后，风向开关会触发信号，从而判断风的方向。

为确保机械式传感器的准确性，需要对其进行校准。

校准方法一般包括以下几个步骤：- 将风向传感器与一个准确的风向仪器放置在同一位置，确保两者在相同的风向下工作。

- 分别在不同的风向下比较风向传感器的输出信号与风向仪器的显示结果。

- 根据比较结果，调整风向传感器的误差，使其与风向仪器一致。

2. 电子式传感器电子式风向传感器采用电子元件测量风向，如霍尔元件、陀螺仪等。

它的工作原理是根据电子元件受到风作用后产生的信号，计算出风的方向。

电子式传感器相对于机械式传感器更加精确，但也需要进行校准以确保准确性。

校准方法一般包括以下几个步骤：- 将电子式传感器与一个准确的风向仪器放置在同一位置，确保两者在相同的风向下工作。

- 根据风向仪器的显示结果，将电子式传感器的输出信号与之进行比较。

- 根据比较结果，调整电子式传感器的误差，使其与风向仪器一致。

二、风速传感器设计与校准风速传感器主要用于测量风的速度，常用的设计原理包括热膜式传感器、超声波式传感器和旋翼式传感器。

1. 热膜式传感器热膜式风速传感器利用热膜受风速的影响产生的电阻变化来测量风的速度。

它的工作原理是当风通过热膜时，热膜的温度会降低，进而导致电阻值的变化，通过测量电阻变化可以得到风速的值。

超声波风速风向仪设计1.研究背景及意义风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。

风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。

杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。

热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。

这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。

现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。

2.国外研究历史及发展状况超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。

70年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的PLL（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。

同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。

该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。

80年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。

90年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。

从国、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。

当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果,其销售份额也排在前几位。

日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。

超声波风速风向仪设计汇总硬件设计方面，首先需要设计超声波传感器模块。

该模块由超声波发射器和接收器组成。

超声波发射器产生超声波信号，而接收器接收回波信号。

这两个模块之间的距离可以确定风速的大小。

接下来是信号处理模块的设计。

该模块将接收到的超声波信号进行放大和滤波处理，以减少噪声的干扰。

随后，模数转换器将模拟信号转换为数字信号。

为了确定风向，需要设计方位传感器模块。

该模块可以测量超声波传感器模块相对于北方的角度。

这将使我们能够确定风的方向。

算法设计方面，首先需要进行数据校准。

这个过程可以通过将风速仪放置在已知风速下进行校准。

通过比较已知的风速数据和测量的数据，我们可以确定校准系数。

这些系数将用于计算真实风速。

然后，需要设计算法来计算风速和风向。

这可以通过计算超声波传感器模块之间的距离差来实现。

距离差越大，风速越大。

同时，通过计算方位传感器模块相对于北方的角度，可以确定风的方向。

最后，还需要设计用户界面模块。

该模块用于显示风速和风向的数据。

可以使用LCD显示屏显示这些数据。

用户还可以通过按键来选择不同的功能和模式。

总结来说，超声波风速风向仪的设计包括硬件设计和算法设计两个方面。

硬件设计主要涉及超声波传感器模块和方位传感器模块的设计，以及信号处理模块和数据采集模块的设计。

算法设计主要涉及风速和风向的计算算法和数据校准算法。

同时，还需要设计用户界面模块来显示数据和提供用户交互。

这些设计可以使超声波风速风向仪准确地测量风速和风向，具有较高的实用性和可操作性。

风速风向传感原理风速风向传感器的原理是利用一系列的物理原理和技术来测量大气中的风速和风向。

以下是风速风向传感器的工作原理和几种常见的传感器类型。

1. 动力传感器原理：动力传感器多用于测量低速风，一般根据静压原理或动压原理进行测量。

静压原理是基于风流过传感器时产生的静压力与风速成正比的原理。

传感器内设有一个孔道，通过控制流过孔道的空气量和通过孔道的压力来测量风速。

动压原理是利用一个孔道，其中有一个管腔与空气相连接。

当风通过孔道时，管腔内会生成一定的压力差，该压力差与风速成正比。

通过测量压力差来计算风速。

2. 超声波传感器原理：超声波传感器利用超声波的传播速度与风速成正比的原理。

传感器首先发送一个超声波信号，然后测量超声波信号从传感器发射到接收器接收的时间间隔。

利用风速测量原理可以计算出风速。

3. 磁性敏感器原理：磁性敏感器通过测量地球磁场的变化来确定风向。

传感器中包含一个磁性材料，当风通过时，会改变磁性材料的方向。

通过测量这种方向变化的磁场来确定风向。

除了以上几种传感器原理外，还有一些其他的原理用于测量风速和风向。

4. 热线传感器原理：热线传感器利用电热线在风中被冷却的速度来测量风速。

传感器内部的电热线会受到风速的影响而变为不同的温度。

通过测量电热线的温度变化来计算风速。

5. 液体静压传感器原理：液体静压传感器通过液体和风之间的压力差来测量风速。

传感器内设有一个管道，风经过管道时会产生压力差。

通过测量这种压力差来计算风速。

总之，风速风向传感器利用各种物理原理和技术来测量大气中的风速和风向。

根据不同的传感器原理，可以选择适合的传感器类型来进行风速和风向的测量。

这些传感器可以广泛应用于天气预报、环境监测、航空航天等领域。

风速风向传感器的监测原理在气象学中，将风的来向称之为风向，将单位时间内空气移动的水平距离称为风速。

在我国历史上，人们很早就开始对风速和风向进行监测，如东汉张衡发明的相风铜鸟，不仅能测风向，还能观测较大的风；随着科学技术的发展，现在主要是使用风速风向监测仪来进行监测的。

目前，在气象监测中使用较多的风向监测仪有电磁式、光电式及电阻式等几大类。

电磁式风向监测仪：利用电磁原理设计，由于原理种类较多，所以结构与有所不同，目前部分此类传感器已经开始利用陀螺仪芯片或者电子罗盘作为基本元件，其测量精度得到了进一步的提高。

光电式风向监测仪：这种风向传感器采用绝对式格雷码盘作为基本元件，并且使用了特殊定制的编码编码，以光电信号转换原理，可以准确的输出相对应的风向信息。

电阻式风向监测仪：这种风向传感器采用类似滑动变阻器的结构，将产生的电阻值的最大值与最小值分别标成360°与0°，当风向标产生转动的时候，滑动变阻器的滑杆会随着顶部的风向标一起转动，而产生的不同的电压变化就可以计算出风向的角度或者方向了。

360°风向传感器就是一种电阻式风向监测仪，它采用类似滑动变阻器的结构，将产生的电阻值的最大值与最小值分别标成360°与0°，当风向标产生转动的时候，滑动变阻器的滑杆会随着顶部的风向标一起转动，而产生的不同的电压变化就可以计算出风向的角度或者方向了；风机械强度大，硬度高，设备结构及重量经过精心设计及分配，转动惯量小，响应灵敏；采用高性能进口轴承，转动阻力小，测量精确；具有良好的防电磁干扰处理能力。

聚碳风速传感器是一种直接对风进行测量的设备。

根据不同的原理，风速传感器主要分为旋转风杯式风速传感器、风扇式风速仪及热风式风速传感器等。

三杯式风速传感器采用三杯设计理念，使用高性能进口轴承，转动阻力小，测量精确；当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的信号，该信号由计数器计数，经换算后得出实际风速值。