微机型超声瞬时风速风谱测量系统

　　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[1]。

　　1　超声测风原理

　　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,T1,T2为发射,R1,R2为接收,它们相距为L,如图1所示。

　　设无风时空气中的声速为C,风速V沿X方向上的分量为Vx,沿X轴正交面上的分量是Vy,则可以导出声波同相面(波阵面)按正反方向从T1到R1、T2到R2的传播时间分别为

　　如果距离L远大于声波的波长,则声波可简化为平面波。这时,X方向的声波传播时间仅与X方向上的风速有关,则(1)式可简化为

　　由(3)式与(4)式,得

　　因此,只要测出某个方向上顺风、逆风条件下,从向发射施加激励脉冲起到接收收到第一个脉冲止的超声传播时间,就可得到该方向上的风速。再根据矢量合成原理,最终可得到总的风速、风向。测量结果与声速无关,无须复杂的声速实时修正。

　　这种测风方案,称为“脉冲声时法”。由于没有机械转动部件,不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题,同时也没有“机械惯性”,可捕捉瞬时的风速变化。不仅可测出常规风速(平均风速),也可测得任意方向上的风速分量,尤其可测出风速中的高频脉动成分。

　　2　系统结构与硬件设计

　　2.1　系统结构

　　整个测风系统包含1台上位机(PC)和若干个独立的测风单元组成,如图2所示。每个测风单元以Intel公司十六位单片机80C196KB为核心,完成风速的测量、数据的预处理等,并通过串口将测量数据送至上位机。PC机则利用其资源优势及良好的人机界面,完成测风数据的实时处理、存储、查询、打印等功能。

　　2.2　超声换能器[2]

　　超声换能器是完成超声波的发射与接收的部件。在测风系统中,对换能器的要求极高。这是因为,气体的密度小、声速低,因而特性声阻抗小,超声检测应用于气体时,本身接受信号就较弱。而测风系统工作环境极端恶劣,大风必然造成信号的大幅衰减,尤其逆风信号的准确捕捉更为困难。再者,测风换能器不能影响原始风场的风况,体积受到严格限制,因而发射功率不可能太大。同时,由于测量对象随时变化,也不能依靠增加测量次数、取多次平均的方法提高测量精度。这些都使得超声测风比常规的超声测距等实施起来困难更多,对换能器的要求更高。