超声波风速风向仪技术分享：原理、设计与应用

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一、传统风速仪的局限性与超声波技术的优势

传统机械式风速风向仪的几个固有缺陷：

• 存在转动部件易磨损
• 机械结构易受恶劣天气损害
• 沙尘和盐雾会造成腐蚀
• 存在启动风速限制（无法测量微风）
  
  

相比之下，超声波风速仪具有明显优势：

• 无活动机械部件，理论上可测下限为零风速
• 风速上限可通过传感器间距调整
• 免维护，适合自动气象站长期使用
  
  

二、超声波测风原理（时差法）

时差法的测量原理：

• 基本概念：
  
  
  • vₛ：静止空气中的声速
  • v_w：风速
  • L：探头间距
    
    
• 数学模型：
  
  
  • 顺风传播速度：vₛ + v_w
  • 逆风传播速度：vₛ - v_w
  • 传播时间差：Δt ≈ (2Lv_w)/vₛ²
    
    
• 实际设计：
  
  
  • 使用3-4个探头（论文采用4探头设计）
  • 通过两个正交方向的测量合成风速风向
    
    
  
  

三、系统硬件设计亮点

• 核心控制器：
  
  
  • 采用PIC18F4580单片机
  • 40MHz工作频率（10MHz晶振+PLL四倍频）
  • 计时分辨率达100ns
    
    
• 高压发射电路：
  
  
  • 创新使用PWM+脉冲变压器方案
  • 相比高压模块的优势：
    
    
    • 元件少体积小
    • 通过PWM调节可适配多种换能器
    • 功耗低（仅需几毫秒充电）
      
      
    
    
• 信号检测电路：
  
  
  • 采用"多阈值比较"技术解决噪声问题：
    
    
    • 第一阈值触发RS触发器
    • 使能第二比较器进行过零检测
      
      
  • 比直接过零检测更可靠
    
    
• 模块化设计：
  
  
  • 分为接收分板、发射分板和数字分板
  • 插接式结构便于维修
    
    
  
  

四、软件算法设计

系统软件流程很有参考价值：

• 测量流程：
  
  
  • 正交探头对交替发射/接收（S1↔S2，S3↔S4）
  • 每个方向进行正反向测量消除系统误差
    
    
• 数据处理：
  
  
  • 每组测量重复16次
  • 排序后去掉最大和最小的4个数据
  • 对中间8个数据取平均
    
    
• 风速计算：
  
  
  • 正交方向风速合成
  • 加入温度补偿
    
    
  
  

五、实验结果与工程启示

使用小型风洞进行测试（对比手持风速仪）：

• 在30m/s以下风速时拟合度较好
• 低温频换能器（40kHz）导致低风速误差较大
• 未测试30m/s以上风速（受条件限制）
  
  

工程启示：

• 换能器选择很关键：
  
  
  • 高频换能器（如100kHz以上）可提高精度
  • 一致性好的换能器能减少校准难度
    
    
• 时差法在低风速时信噪比问题：
  
  
  • 可能需要更灵敏的检测电路
  • 或考虑相位差法等补充方案
    
    
• 温度补偿必不可少
  
  

六、创新点总结

创新点：

• 实际搭建了完整的硬件平台
• 软硬件协同设计提高可靠性
• 实现了时差法的工程应用
  
  

参考文献：徐立强, 郑贵林. 超声波风速风向仪的研制[J]. 微计算机信息, 2009, 25 (08): 92-93.