超声风速仪原理及设计方案

超声波风速风向仪是利用发送声波脉冲，测量接收端的时间或频率（多普勒变换）差别来计算风速和风向的测量传感器或测量仪器。

根据产品的大小、使用习惯或者具体应用环境，叫超声波风速传感器或者超声波风速仪，也叫超声波风速计或者超声波风力计

　　声风速仪工作原理

超声测风是超声波检测技术在气体介质中的一种应用它是利用超声波在空气中传播速度受空气流动（风） 的影响来测量风速的。与常规的风杯或旋翼式风速仪相比这种测量方法的最大特点在于整个测风系统没有任何机械转动部件，属于无惯性测量，故能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分，结合现代计算机技术，可在更高层次上揭示自然风的特性对于提高抗风减灾能力和风资源的合理利用有重大意义。

声波（超声波） 是机械振动在媒质中的传播过程其传播速度必然受媒质自身运动的影响若在风场中沿X 方向平行放置两对超声换能器， T 1， T 2 为发射， R 1， R 2 为接收， 它们相距为L，如图所示。

　　超声风速仪原理及设计方案

　　1 基于时间差法超声波风速仪的设计

利用超声波测量风速可采用时间差法、相位差法和频率差法等几类方法。其中，相位差法与测试环境温度有关；频率差法稳定性较差；时间差法与测试环境温度、湿度均无关且相对较稳定，同时，时间（时间差）也是人类至今为止测试精度最高的物理参量，因此。目前人们普遍采用时间差法来设计、研制风速测试仪。该项目采用时间差法设计并研制超声波风速测速仪。

　　2 时间差法超声波风速仪工作原理

基于时间差方法超声波风速测速仪设计方案如图1所示。信号控制系统发出一次触发信号触发x轴线上一对超声波探头中的一个，使其发射频率为f的超声波脉冲串，该脉冲串经顶部反射面反射后（如图2），由该方向的另一超声波探头接收，接收超声波信号经放大器放大后，由接收机记录超声波传输时间t1x；

图2 超声波束传输路径

然后，信号控制系统再发出一次触发信号触发x轴线上一对超声波探头中的另一个，而第一次作为发射源的超声波探头作为接收器，重复上述步骤，记录超声波传输时间t2x；依据两次测量情况下超声波传输的时间差（t2x- t1x），计算风的x向速率vx；

图1 基于时间差法风速测速仪设计方案

同理，信号控制系统分别沿y方向顺风、逆风各发射一次超声波脉冲串，通过时间差（t2y- t1y）计算风的y向速率vy；按矢量合成法则，可计算得到风速的速率以及风速方向；最后将计算结果传入显示系统显示。