基于時差法的三維超聲波測風傳感器設計

文桂伏，郭子靖，沈洪奇

（北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100144）

0 引言

準確測量風速風向對于氣象預報、風力發電、農業生產、環境監測等領域具有重要作用。目前主要的風速測量儀器主要有風杯式風速計、熱敏式風速計、超聲波風速計，風杯式風速計主要存在機械磨損、有啟動風速、測量精度不高、容易受外部環境影響等缺點。機械式風速儀在磨損后測量精度會下降[1]；天氣環境對熱敏風速計測量準確性也有很大的影響[2]；而超聲波測風儀不存在磨損、反應速度快、測量精度高[3]，被廣泛應用在各種對風速風向的測量精度要求較高的場合。國外三維超聲波風速儀測量精度高但價格昂貴，國內尚無可以替代產品。本文開發一種能夠實現風場三維測量的系統，具有工程價值和現實意義。

1 測風的基本原理

本系統采用的測風原理為超聲波時差法，采用三維超聲波測風系統測量風速和風向[4]。時差法分為直接時差法、頻差法和相位差法[5]，本系統采用直接時差法。當3對換能器的距離固定時，使用切換開關控制換能器收發電路實現多對換能器依次發出超聲波和接收超聲波，用計時芯片測量超聲波在順風和逆風中的飛行時間，通過風速與飛行時間的關系得到3個方向上的風速分量，由矢量合成原理得出總的風速值，用水平面內的風速分量求出風向。本系統采用的三維正交型測風陣列結構簡單、計算方便，與直角坐標系重合[6]。

測風陣列如圖1[6]所示，以3對換能器的軸線為坐標軸建立直角坐標系，在安裝時使系統盡可能水平并調整好方位角。即OY軸的正方向指向正東方向，OX軸的正方向指向正南方向，OZ軸的正方向垂直向上，并假設3個軸的正方向為順風方向。3對換能器分別測出風矢量在3個坐標軸上的分量，假設OY軸、OX軸及OZ軸上的分量分別為Vy、Vx、Vz，假設超聲波在空氣中的傳播速度為C，風速為V，正對的2個換能器均為收發一體并且間距都為L，取L=20 cm。假設3個軸上超聲波順風傳播的時間分別為tOR、tOQ、tOP，逆風傳播的時間分別為tRO、tQO、tPO，則風速的計算為

圖1 三維正交型測風陣列示意圖

2 三維超聲波測風系統硬件設計

2.1 系統硬件總體結構設計

系統的硬件部分主要包括STM32最小系統、換能器驅動電路和超聲信號處理電路、HMC5883L地磁芯片及CD4097多路選擇器、傾角傳感器SCA100T及模數轉換器AD7705外圍電路、RS485通信接口、TDC-GP22外圍電路。系統硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖

2.2 換能器驅動電路設計

TDC-GP22時間數字轉換器采用3 V的線性電源進行供電，其FIUP_UP引腳也只能產生峰峰值為3 V的200 kHz方波，無法直接驅動換能器發出超聲波，所以使用驅動電路對方波進行放大，驅動電路的原理圖如圖3所示。驅動電路采用中頻變壓器進行升壓，方波經過一個限流電阻后接到NPN型三極管的基極，三極管的發射極接到AGND，變壓器原端方波的幅值為5 V，原端接5 V電源提高了變壓器的驅動功率，變壓器的副端與換能器相連。

圖3 換能器驅動電路

2.3 超聲信號調理電路

換能器產生的回波信號峰峰值一般為幾十毫伏且伴隨噪聲信號，不能觸發TDC-GP22的STOP單元，從而無法實現超聲波飛行時間的測量，所以換能器產生的回波信號要經過信號調理電路進行放大和濾波處理。信號調理電路的原理圖如圖4所示，電路采用2個運算放大器構成四階巴特沃斯型帶通濾波器，采用兩級放大電路進行放大，可以通過反饋電阻進行調整放大倍數，放大倍數會影響輸出波形的穩定，實驗過程中發現放大倍數過大時波形出現失真和抖動，使得TDC-GP22測量的超聲波飛行時間有很大的波動，反而會影響風速風向測量的精度。

圖4 回波信號調理電路

3 三維超聲波測風系統軟件設計

采用模塊化的方式編寫程序[7]。上電后先對各個接口進行初始化，STM32通過SPI接口給TDC-GP22發送地址和數據配置相應的寄存器。然后發送相應的測量指令完成超聲波飛行時間的測量，再代入上面的計算公式得出風速風向。利用AD7705采集SCA100T輸出的電壓值，STM32通過SPI接口讀取AD7705的轉換值后計算出系統的傾角，通過IIC接口讀取HMC5883L測量的系統的方位角，還包括串口通信程序設計，整個系統的程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統程序流程圖

4 超聲波飛行時間數據處理

系統先進行無風狀態下的飛行時間測量，因為回波信號中存在噪聲及波形的抖動，所以超聲波飛行時間也存在較大的波動，數據的波動會影響測量的精度。本系統采用平均值法濾波對數據進行處理，一個方向上進行30次測量，取平均值作為這個方向上測量的時間值，原始數據及濾波后的數據如圖6所示。從圖中可以看出，經過平均值法濾波后，測量結果的波動從原始數據的5 μs左右減小到濾波后的1.5 μs左右。

圖6 原始數據和濾波后的數據

5 系統測試

在實現時間測量之后，將系統置于自制的小型風洞中進行標定，測試現場如圖7所示。使用型號為AS8336的葉輪式風速儀作為比對儀器，AS8336型風速儀的分辨率為0.001 m/s，風速測量誤差為±3%，最大量程為30 m/s，能夠滿足本系統標定的需求。此時系統X軸的傾角為1.201°，Y軸傾角為-0.179°，方位角為0.173°。

圖7 風洞中的測風測試

風速實測數據如表1所示，參考風速由AS8336葉輪式風速儀測量，并由風杯式風速儀進行校正得到，系統測量風速指的是本文設計的三維測風系統測量得到的風速。

表1 參考風速與系統測量風速m/s

使用不同擺放位置對風向進行標定，標定后系統對于風向測量的絕對誤差均小于±2°，系統對風向的測量有較高的精度。

從表1中數據可以看出，本文開發的測風系統風速測量的絕對誤差在±0.2 m/s以內。外界環境、硬件電路、傳播過程中的延時、軟件算法都會對測量產生影響[2]。方波信號需要經過換能器之間的傳播及切換開關、收發電路才能回到TDC-GP22，計時芯片得到的時間值略大于超聲波在2個換能器之間的飛行時間，這就導致了計算出來的風速風向存在系統誤差，此外在測量過程中還存在隨機誤差。

6 結語

開發了一種200 kHz三維超聲波風速風向測量系統，采用3對換能器構成正交型的測風陣列。主要包括各部分的硬件電路設計、程序設計及系統的程序流程圖，設計和調試的過程中采用模塊化的方法，提高了開發的效率和系統的穩定性，并對系統進行了標定和誤差分析。實驗結果表明：系統對風速測量的絕對誤差小于±0.2 m/s，風向測量誤差小于±2°。具有較高的實時性，系統功耗低，測量精度較高，能滿足實際工程應用，適用于對風速風向測量精度要求較高的場合。