超聲波風速風向傳感器測速原理及其應用

時間：2021-03-26

風矢量是指風速和風向，是氣象監(jiān)測中基本的監(jiān)測要素之一。

現(xiàn)代氣象站隨著物聯(lián)網技術和傳感器技術的發(fā)展，變得越來越智能化，并逐漸向著全天**發(fā)展。因此，現(xiàn)代氣象站迫切需要一款精度高，免維護的風速風向傳感器。

傳統(tǒng)的機械式風速風向傳感器存在轉動部件，*產生磨損。機械結構可能受到惡劣天氣的損害。沙塵和鹽霧也會對其造成腐蝕。同時由于摩擦的存在機械式風速風向儀還存在啟動風速。**啟動值的風速將不能驅動螺旋槳或者風杯進行旋轉。因此對于**啟動風速的微風機械式風速儀將無法測量。為克服傳統(tǒng)風杯式風速風向儀的固有缺點新型超聲波風速風向儀應運而生。

超聲波風速風向傳感器由于其反應速度快、測量精度高、維護使用方便等優(yōu)點，在工業(yè)領域和科學研究中得到了廣泛地應用。超聲波風速風向傳感器主要利用四個垂直放置的超聲波傳感器**的超聲波頻率差別來計算風速和風向，并通過傳感器輸出以風速（m/s）和風向（°）。

三種超聲波測速法

超聲波式測風速主要有時差法、頻差法、相位差法和相關法等測量方法。

時差法

時差法較為常見，其原理為：在平靜空氣中，聲波的傳播速度會被在風方向的空氣流動所改變。如果風向和聲波的傳播方向相同，就會增大聲波的傳播速度，反之則會減小聲波的速度。

在超聲波在空氣中傳播時，順風與逆風方向傳播存在一個速度差，當傳播固定距離時，此速度差反映一個時間差,這個時間差與待測風速具有線性關系。因此，超聲波風速風向傳感器是以固定頻率順序**超聲波，測量兩個方向上超聲波的到達時間，由此得到順風的傳播速度和逆風的傳播速度，經過處理換算即得到風速值。

頻差法

頻差法是循環(huán)多次的直接法此法的精度是直接時差法的循環(huán)次數倍適用于中、小口徑管道優(yōu)點是精度高、受溫度影響較小缺點是受環(huán)境影響*作不穩(wěn)定。

相位差法

相位差法是將風速通過時間差轉換為相位進行測量。

超聲波風速風向傳感器存在的問題

風向角瞬變問題：在分析由二維超聲波風速風向傳感器測得的風向信號時，風向數據中普遍存在風向角瞬變現(xiàn)象，即在很短的時間內風向角出現(xiàn)較為劇烈且幅度很大的波動。風向角瞬變時段的風向信號波動特性與其他時段明顯不同，只有深入了解出現(xiàn)風向角瞬變現(xiàn)象的原因，才能判斷出這種現(xiàn)象是否會對后續(xù)風向信號波動分析產生影響，如果有不利影響，還應采用適當的方法對風向信號做合理的修正。

超聲波風速風向傳感器目前廣泛應用于電力安全監(jiān)控、橋梁隧道、航海船舶城市環(huán)境監(jiān)測、道路安全等領域。超聲波風速儀的諸多優(yōu)點使其運用越來越廣泛，是未來將占風速測量裝置的主導位置。

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