基于时差法的三维超声波测风传感器设计

文桂伏，郭子靖，沈洪奇

（北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144）

0 引言

准确测量风速风向对于气象预报、风力发电、农业生产、环境监测等领域具有重要作用。目前主要的风速测量仪器主要有风杯式风速计、热敏式风速计、超声波风速计，风杯式风速计主要存在机械磨损、有启动风速、测量精度不高、容易受外部环境影响等缺点。机械式风速仪在磨损后测量精度会下降[1]；天气环境对热敏风速计测量准确性也有很大的影响[2]；而超声波测风仪不存在磨损、反应速度快、测量精度高[3]，被广泛应用在各种对风速风向的测量精度要求较高的场合。国外三维超声波风速仪测量精度高但价格昂贵，国内尚无可以替代产品。本文开发一种能够实现风场三维测量的系统，具有工程价值和现实意义。

1 测风的基本原理

本系统采用的测风原理为超声波时差法，采用三维超声波测风系统测量风速和风向[4]。时差法分为直接时差法、频差法和相位差法[5]，本系统采用直接时差法。当3对换能器的距离固定时，使用切换开关控制换能器收发电路实现多对换能器依次发出超声波和接收超声波，用计时芯片测量超声波在顺风和逆风中的飞行时间，通过风速与飞行时间的关系得到3个方向上的风速分量，由矢量合成原理得出总的风速值，用水平面内的风速分量求出风向。本系统采用的三维正交型测风阵列结构简单、计算方便，与直角坐标系重合[6]。

测风阵列如图1[6]所示，以3对换能器的轴线为坐标轴建立直角坐标系，在安装时使系统尽可能水平并调整好方位角。即OY轴的正方向指向正东方向，OX轴的正方向指向正南方向，OZ轴的正方向垂直向上，并假设3个轴的正方向为顺风方向。3对换能器分别测出风矢量在3个坐标轴上的分量，假设OY轴、OX轴及OZ轴上的分量分别为Vy、Vx、Vz，假设超声波在空气中的传播速度为C，风速为V，正对的2个换能器均为收发一体并且间距都为L，取L=20 cm。假设3个轴上超声波顺风传播的时间分别为tOR、tOQ、tOP，逆风传播的时间分别为tRO、tQO、tPO，则风速的计算为

图1 三维正交型测风阵列示意图

2 三维超声波测风系统硬件设计

2.1 系统硬件总体结构设计

系统的硬件部分主要包括STM32最小系统、换能器驱动电路和超声信号处理电路、HMC5883L地磁芯片及CD4097多路选择器、倾角传感器SCA100T及模数转换器AD7705外围电路、RS485通信接口、TDC-GP22外围电路。系统硬件结构框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

2.2 换能器驱动电路设计

TDC-GP22时间数字转换器采用3 V的线性电源进行供电，其FIUP_UP引脚也只能产生峰峰值为3 V的200 kHz方波，无法直接驱动换能器发出超声波，所以使用驱动电路对方波进行放大，驱动电路的原理图如图3所示。驱动电路采用中频变压器进行升压，方波经过一个限流电阻后接到NPN型三极管的基极，三极管的发射极接到AGND，变压器原端方波的幅值为5 V，原端接5 V电源提高了变压器的驱动功率，变压器的副端与换能器相连。

图3 换能器驱动电路

2.3 超声信号调理电路

换能器产生的回波信号峰峰值一般为几十毫伏且伴随噪声信号，不能触发TDC-GP22的STOP单元，从而无法实现超声波飞行时间的测量，所以换能器产生的回波信号要经过信号调理电路进行放大和滤波处理。信号调理电路的原理图如图4所示，电路采用2个运算放大器构成四阶巴特沃斯型带通滤波器，采用两级放大电路进行放大，可以通过反馈电阻进行调整放大倍数，放大倍数会影响输出波形的稳定，实验过程中发现放大倍数过大时波形出现失真和抖动，使得TDC-GP22测量的超声波飞行时间有很大的波动，反而会影响风速风向测量的精度。

图4 回波信号调理电路

3 三维超声波测风系统软件设计

采用模块化的方式编写程序[7]。上电后先对各个接口进行初始化，STM32通过SPI接口给TDC-GP22发送地址和数据配置相应的寄存器。然后发送相应的测量指令完成超声波飞行时间的测量，再代入上面的计算公式得出风速风向。利用AD7705采集SCA100T输出的电压值，STM32通过SPI接口读取AD7705的转换值后计算出系统的倾角，通过IIC接口读取HMC5883L测量的系统的方位角，还包括串口通信程序设计，整个系统的程序流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图

4 超声波飞行时间数据处理

系统先进行无风状态下的飞行时间测量，因为回波信号中存在噪声及波形的抖动，所以超声波飞行时间也存在较大的波动，数据的波动会影响测量的精度。本系统采用平均值法滤波对数据进行处理，一个方向上进行30次测量，取平均值作为这个方向上测量的时间值，原始数据及滤波后的数据如图6所示。从图中可以看出，经过平均值法滤波后，测量结果的波动从原始数据的5 μs左右减小到滤波后的1.5 μs左右。

图6 原始数据和滤波后的数据

5 系统测试

在实现时间测量之后，将系统置于自制的小型风洞中进行标定，测试现场如图7所示。使用型号为AS8336的叶轮式风速仪作为比对仪器，AS8336型风速仪的分辨率为0.001 m/s，风速测量误差为±3%，最大量程为30 m/s，能够满足本系统标定的需求。此时系统X轴的倾角为1.201°，Y轴倾角为-0.179°，方位角为0.173°。

图7 风洞中的测风测试

风速实测数据如表1所示，参考风速由AS8336叶轮式风速仪测量，并由风杯式风速仪进行校正得到，系统测量风速指的是本文设计的三维测风系统测量得到的风速。

表1 参考风速与系统测量风速m/s

使用不同摆放位置对风向进行标定，标定后系统对于风向测量的绝对误差均小于±2°，系统对风向的测量有较高的精度。

从表1中数据可以看出，本文开发的测风系统风速测量的绝对误差在±0.2 m/s以内。外界环境、硬件电路、传播过程中的延时、软件算法都会对测量产生影响[2]。方波信号需要经过换能器之间的传播及切换开关、收发电路才能回到TDC-GP22，计时芯片得到的时间值略大于超声波在2个换能器之间的飞行时间，这就导致了计算出来的风速风向存在系统误差，此外在测量过程中还存在随机误差。

6 结语

开发了一种200 kHz三维超声波风速风向测量系统，采用3对换能器构成正交型的测风阵列。主要包括各部分的硬件电路设计、程序设计及系统的程序流程图，设计和调试的过程中采用模块化的方法，提高了开发的效率和系统的稳定性，并对系统进行了标定和误差分析。实验结果表明：系统对风速测量的绝对误差小于±0.2 m/s，风向测量误差小于±2°。具有较高的实时性，系统功耗低，测量精度较高，能满足实际工程应用，适用于对风速风向测量精度要求较高的场合。