【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风速风向测量领域，特别是一种超声波测风速风向装置。
技术介绍
1、随着科学技术的发展，各种风速风向测量技术得到了迅速发展，其中超声波风速风向仪以使用寿命长、性价比高和环境适应性强的特点使其广泛应用于港口、风电、气象等领域。超声波风速风向仪主要是通过东西和南北两对换能器相互发射和接收超声波，通过算法对接收的超声波信号数据进行计算处理，获取环境风的风速和风向。发射端换能器发射的超声波波瓣存在主瓣和副瓣，且主副瓣都存在较大的指向角，使得超声波能量不集中，导致接收端换能器接受的信号强度较弱，不易算法处理，特别是在强风情况下，信号几乎淹没在噪声中。
2、目前的超声波风速风向仪不论是反射式的还是对射式的，都没有针对换能器发射的超射波波瓣进行二次调整，使其出射的能量比较发散，指向角大，导致接收端换能器接受的信号强度较弱，不易算法处理，特别是在强风情况下，信号几乎淹没在噪声中，无法有效计算出风速和风向。
3、目前市面上的反射式超声波风速风向仪采用的结构是将换能器置于底端平面，在顶端平面进行反射，这种结构方式容易导致换能器在风雨天气情况下使其表面积水，在低温情况下导致结冰，影响测量准确性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种超声波测风速风向装置。本专利技术提出了一种换能器反射杯组合，利用设计的反射杯将换能器发射信号的波瓣指向角缩小，使其能量更加集中，从而使得接收端换能器接收的信号强度更强，同时将换能器反射杯安装于结构顶端平
2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种超声波测风速风向装置，所述装置包括顶端结构，安装于所述顶端结构下表面的东、西、南、北四组换能器反射杯组合，底端反射面，安装于所述底端反射面上的温湿度传感器和加热块，以及信号控制处理电路装置；
3、每个换能器反射杯组合为配备有反射杯结构的换能器，反射杯的杯口朝向底端反射面，其中反射杯的面型应使换能器发射至反射杯内表面的超声波准直射出，且经所述底端反射面反射至相对位置处的换能器；
4、所述温湿度传感器用于测量底端反射面表面的温度和湿度，当表面湿度或温度低于预设值时，启动所述加热块进行加热，以使底端反射面表面始终保持干燥状态；
5、所述信号控制处理电路装置，用于对超声波信号进行处理，计算风速和风向。
6、进一步地，所述顶端结构采用外扩加宽式帽檐结构。
7、进一步地，所述底端反射面采用椭圆凹面结构，且所述换能器反射杯组合安装于椭圆面的焦点处，使得一个焦点处的换能器发射至底端反射面的超声波能反射至相对位置的另一个焦点处的换能器。
8、进一步地，所述信号控制处理电路装置包括：温湿度采集模块、加热输出模块、换能器pwm信号激励模块、换能器信号接收模块、信号放大模块、信号带通滤波模块、adc采集模块、微控制器模块和电源系统模块；
9、所述温湿度采集模块，用于将所述温湿度传感器探测的温度数据和湿度数据传给微控制器模块；
10、所述加热输出模块，用于在微控制器模块的pwm控制下对所述加热块进行驱动；
11、所述换能器pwm信号激励模块，用于将微控制器模块输出的pwm激励信号通过变压器升压驱动换能器发射超声波；
12、所述换能器信号接收模块，用于通过响应的模拟电路对信号进行接收，并传递给所述信号放大模块；
13、所述信号放大模块，用于对接收到的信号进行动态增益调节，之后传递给所述信号带通滤波模块；
14、所述信号带通滤波模块，用于对接收到的信号进行滤波处理，之后传递给外置的所述adc采集模块；
15、所述微控制器模块，通过外设接口与所述adc采集模块互连，读取经过处理的超声波信号，并根据超声波信号计算风速和风向；
16、所述电源系统模块，用于将输入的电压转换为其他各模块所需的工作电压，为其供电。
17、进一步地，所述信号放大模块由多个可编程增益放大器集成电路进行串联组成，实现信号强度的多级可控放大。
18、进一步地，所述微控制器模块根据超声波信号计算风速和风向，具体包括：
19、将东、西、南、北四组换能器反射杯组合分别记为第一通道至第四通道；
20、步骤1，微控制器模块产生pwm激励信号激励第一通道的换能器产生超声波，并由与其相对的第二通道的环能器采集第一通道的超声波信号数据；
21、步骤2，微控制器模块对采集的第一通道的超声波信号数据进行信号增益自适应处理、滤波和互相关计算，并记录传播时间；
22、步骤3，重复步骤1和步骤2，直至达到预设的采集次数，之后对所有传播时间求平均得到最终的传播时间tew；
23、步骤4，针对第二至第四通道，分别按照步骤1至步骤3的方式执行，获得对应的最终的传播时间twe、tsn、tns；
24、步骤5，基于上述获得的传播时间，通过时差法计算风速和风向。
25、进一步地，步骤2中进行信号增益自适应处理具体采用基于二分搜索法的信号增益自适应调节算法，该算法具体包括：
26、判断超声波信号数据最大值是否大于设定的阈值上限，若大于阈值上限，微控制器模块将可编程增益放大器放大系数设置为(当前系数-下限系数)/2，然后微控制器模块再次激励发射超声波和接收超声波，重复上述过程；若小于阈值上限，则执行下一步；
27、判断超声波信号数据最小值是否小于设定的阈值下限，若小于阈值下限，微控制器模块将可编程增益放大器放大系数设置为(上限系数-当前系数)/2，然后微控制器模块再次激励发射超声波和接收超声波，重复上述过程；若大于阈值下限，则将超声波信号数据用于风速计算。
28、进一步地，步骤5所述基于上述获得的传播时间，通过时差法计算风速和风向，具体包括：
29、(1)计算风速v为：
30、
31、其中，vx、vy分别为东西方向的风速、南北方向的风速；
32、
33、
34、式中，l为位置相对的两个换能器之间的距离；
35、(2)计算风向θ：
36、
37、本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：
38、(1)本专利技术提出的换能器反射杯组合结构，可以对换能器发射的超声波波瓣指向角进行二次调整，缩小波瓣指向角，使得超声波能量更加集中，接收端换能器接收的信号强度更强，在强风情况下信号不会淹没在噪声中，可以有效准确地计算出风速和风向。
39、(2)本专利技术提出的将换能器反射杯安装于结构顶端平面，杯口朝向底端平面，将底端平面作为反射面，利用反射杯自身的遮雨特性，使得换能器表面始终无法积水和结冰，提高了在风雨天气测量的准确性。
40、(3)本专利技术设计本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超声波测风速风向装置，其特征在于，所述装置包括顶端结构，安装于所述顶端结构下表面的东、西、南、北四组换能器反射杯组合，底端反射面，安装于所述底端反射面上的温湿度传感器和加热块，以及信号控制处理电路装置；
2.根据权利要求1所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，所述顶端结构采用外扩加宽式帽檐结构。
3.根据权利要求1所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，所述底端反射面采用椭圆凹面结构，且所述换能器反射杯组合安装于椭圆面的焦点处，使得一个焦点处的换能器发射至底端反射面的超声波能反射至相对位置的另一个焦点处的换能器。
4.根据权利要求1所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，所述信号控制处理电路装置包括：温湿度采集模块、加热输出模块、换能器PWM信号激励模块、换能器信号接收模块、信号放大模块、信号带通滤波模块、ADC采集模块、微控制器模块和电源系统模块；
5.根据权利要求4所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，所述信号放大模块由多个可编程增益放大器集成电路进行串联组成，实现信号强度的多级可控放大。
6.根据权利要
7.根据权利要求5或6所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，步骤2中进行信号增益自适应处理具体采用基于二分搜索法的信号增益自适应调节算法，该算法具体包括：
8.根据权利要求6所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，步骤5所述基于上述获得的传播时间，通过时差法计算风速和风向，具体包括：
9.根据权利要求6所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，步骤2中采用五点三次平滑滤波法对采集的超声波信号数据进行滤波处理。
10.根据权利要求6所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，步骤2中采用傅里叶变换的方法进行互相关计算。
...【技术特征摘要】
1.一种超声波测风速风向装置，其特征在于，所述装置包括顶端结构，安装于所述顶端结构下表面的东、西、南、北四组换能器反射杯组合，底端反射面，安装于所述底端反射面上的温湿度传感器和加热块，以及信号控制处理电路装置；
2.根据权利要求1所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，所述顶端结构采用外扩加宽式帽檐结构。
3.根据权利要求1所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，所述底端反射面采用椭圆凹面结构，且所述换能器反射杯组合安装于椭圆面的焦点处，使得一个焦点处的换能器发射至底端反射面的超声波能反射至相对位置的另一个焦点处的换能器。
4.根据权利要求1所述的超声波测风速风向装置，其特征在于，所述信号控制处理电路装置包括：温湿度采集模块、加热输出模块、换能器pwm信号激励模块、换能器信号接收模块、信号放大模块、信号带通滤波模块、adc采集模块、微控制器模块和电源系统模块；
5.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈成，牛绪儒，王浩，刘逸卿，王圣杰，晁俊杰，杨永胜，杨念，李兰馨，陈慧颖，张淑坤，
申请(专利权)人：连云港杰瑞电子有限公司，
类型：发明
国别省市：
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