实用新型超声波测速测向仪的设计

“TI”杯嵌入式系统设计竞赛论文作品名称：实用新型超声波测速测向仪参赛队员：钱克苍王泽宇黄鸣阳李博贤杨鲁新联系电话：[phone]电邮：[e-mail]参赛时间：2013年3月至2013年5月1.作品研究的内容、目的和意义、具体目标等作品研究目的和意义：风矢量是基本的气象要素之一，也是大气边界层最基本的特征量之一。在测量风速风向的方法中,利用超声波来测风由于有反应速度快、测量精度高、分辨率高、使用不需校正等优点,目前已成为了一种十分重要的测量方法。超声风速仪根据测量方法的不同，可分为超声速差测风仪和超声涡街测风仪。超声涡街测风仪根据卡门涡街原理，利用超声波束被旋涡调制来进行连续定点测量。其在使用过程中，需要定期对漩涡发生体进行清洗，且其风速测量范围较小。超声速差测风仪检测超声波在顺风路径和逆风路径上传播速度差，实现对风速的测量;具有结构简单、风速测量范围广、线性度高等优点。根据系统结构和计算方法的不同，超声速差风速仪检测方法又可分为:时差法、频差法、多普勒法、相关法等。其中时差法风速仪具有原理简单、结构简单、易于实现、适用范围广等优点。基于时差法设计和实现超声风速仪的关键在于如何提高测量的精度，有效降低环境等因素对其产生的影响。本项目的目的是采用新的阵型设计及其他措施设计并制造一种新型超声波3D风速风向测量仪。作品研究内容：通过分析现有的超声波测风速风向仪的相关模型，提出新型的设计方案并进行理论验证。根据理论模型设计实验仪器，设计新的阵型与算法并设计相应的电路与交互系统，设计高精度，强适应性，适用范围广的3D风速测量系统。作品研究具体目标：a)选择最优的风速计算模型和阵型设计方案，并进行理论建模模拟b)编译用于测量风速的程序，同时进行对测风仪的不同功能部分在允许的情况下进行试验验证，从而挑选出合适的单片机、GPS及定向系统和转换器等核心部件c)构建原理机，进行调试验证测风性能d)在原理机的基础上进行功能拓充，增加其实用功能，优化操作方式和人机交互性，并设计应用在各种实际情况的修正、交互模板程序2.国内外的研究状况（800字左右，附不少于8篇参考文献）在现代舰船上一般都装有风速仪,作为气象系统的一部分,用于测量舰船在航行过程中的风速风向,为航行操纵提供信息。当前所使用的风速仪种类繁多,工作原理和性能也各不相同,其中使用较多的是机械式风速仪,例如常用的风杯式和螺旋桨式风速仪。但由于机械式风速仪的测量部分是旋转部件,在强风和长期暴露于室外的工作环境下容易磨损,而且存在“过高效应”[1],造成测量精度不高,使用条件受到制约。近年来,随着电子技术的发展,出现了许多新的风速风向测量方式,如激光风速仪、超声波风速仪、高集成度的MEMS风速仪等等,这些新型风速仪体积较小,无机械部件,寿命长,而且有的精度很高,正在逐步取代传统机械式风速仪,应用越来越广泛。超声波风速仪是新型风速仪中性能较为突出的一种,精度能达到0.1m/s,不仅结构简单、坚固耐用,而且能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分。意大利GCAprilesi等人上世纪八十年代制作了超声波风速仪的原理样机，验证了超声波风速仪的可行性，但其采用的是三对收发分置探头和LM1812N芯片，用模拟方式处理超声波信号，据实际测试，精度和可靠性都不高[2]。DonBanfield等人研究了用于火星大气风速风向测量的超声波传感器技术，并提出采用脉冲压缩技术判断声波到达时间，所得结论较有意义[3]。南京信息工程大学唐慧强等人提出了一种利用DSP实现超声波风速测量的方案，其中采用数字前后向滤波、窄带滤波等信号处理手段判断声速接收脉冲到达时刻的方法有一定的理论价值，但不易工程实现[4]。另外中科院声学所张建兰等人针对声纳系统提出了一种压电陶瓷发射换能器的瞬态抑制技术，对改善接收信号判断声波到达时刻非常有利，但也大大增加了发射系统的复杂性[5]。近年，许多研究者纷纷提出了多种基于时差法的多种测量计算方式，例如中国科学院声学研究所的丁向辉等人提出的基于FPGA和DSP的超声波风向风速测量系统设计，可实现超声信号的高速数据采集和复杂的信号处理算法[6]。所实现的超声风速测量系统具有体积小、反应速度快、抗干扰能力强和分辨率高等优点，且具有成本优势，并保持较低的功耗，但均为原理样机，无法作为成熟的产品投放市场。成都信息工程学院的邓昌建等人讨论了如何解决超声波测风速仪目前使用中存在的一些问题，具有很好的参考价值[7]。目前市场上销售的成熟产品有芬兰Vaisala公司的WS425和英国的GILL等型号，都包括二维和三维测风向产品，有的还能构建无人值守气象站。国内类似产品目前只有几年的几例，但性能均有很大缺陷。[8]【1】彭艳，张宏升，许飞，等，风杯风速计测风误差的分析研究与订正方法[J]。气象水温海洋仪器，2003，（2）：1-11.【2】AprilesiGC,DeCiccoG,TaroniA.Amicroprocessor-basedthreeaxesultrasonicanemometer[J].UltrasonicsSymposum,1983:295-298.【3】DonBanfiled,RichardDissly.AMartianSonicAnemo-meter[C],AerospaceConference,NY,March,2005:641-647.【4】TANGHuiqiang,HUANGWeiyi,LIPing.UltrasonicwindvelocitymeasurementbasedonDSP[J].JouralofSoutheastUniversity(EnglishEdition),2005,21(1):20-23.【5】张建兰，高天赋，曾娟，等。压电陶瓷发射换能器的瞬态抑制[J]。声学学报，2007，32（4）：295-303.【6】丁向辉，李平，等。基于FPGA和DSP的超声波风向风速测量系统[J]。应用声学，2011，30（1）：46-52.【7】邓昌建，张江林，王保强，等。超声波测风仪设计中几个问题的探讨[J]。成都信息工程学院学报，2007，22（5）：581-583.【8】曹可劲，崔国恒，罗斌凤，等。超声波数字风速风向仪[P]。中国：2007200878543，20073.研究方法、研究方案及可行性1，采用时差法作为测量风速的基本方法通过检测超声波在顺风路径的传播时间和逆风路径的传播时间确定风速，使用时差法，风速的测量不依赖于声速，风速分量只与距离，顺风时间及逆风时间的测量有关。2，采取三角形循环阶梯布局超声波换能器排列阵型三角形循环阶梯阵型既保证测量的准确性，每个方向风速通过两次测量求得，又降低了成本，并且很好的解决了仪器本身结构对风速影响的问题。3，微处理器控制模块：采用MSP430单片机单片机控制电路是控制发射和接受信号，时序并进行计算的中心电路部分。选用的MSP430是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，。该系统内集成了通用的8位CPU和ISPFlash为存储单元，为开发嵌入式控制应用系统提供高灵活、高性价比的解决方案。4，换能和收发模块：使用压电圆盘式换能器，频率范围在22KHz一25.5KHz之间。发射电路实现TTUMOS的电平转换和功率放大，接收电路实现微弱回波信号的多级放大和带通滤波，用以提高采集信号的信噪比，方便信号处理。5，软件部分，采用keil软件对装置各功能进行编写，使用protel软件对印刷电路板进行设计。6，算法方面，使用ASDF结合信号重心时差法检测使用基于DSP的数据信号处理算法对到达时间进行测量。4.作品的特色与创新点1.超声波风速测量技术测量仪器没有活动的机械部件，取而代之的是若干个超声波传感器。理论上可以测量的风速范围下限为零，不存在启动风速；风速上限可以根据传感器间距进行调整。2,阵型设计，采用三角形循环阶梯布局，可以测量测试装置立体范围内的空气流动，从而得到立体的风速信息，而且可以避免换能器结构对空气流动的干扰，较高的空间利用率也有利于装置的微型化3，由于阵型结构的改变，可以为换能器的物理保护提供空间支持4，测量方式和算法（采用单向脉冲交错发射以避免相互干扰）5，基于风速是在许多时空上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规则气流上的一种三维矢量，加入双重分时段统计风速的算法，以达到实时小尺度风速和均风速的分别统计6，设计更加人性化的操作交互方式，简化操作步骤根据具体使用场合有不同应用模板5.对作品的兴趣所在和已有的知识积累或实践基础该课题由同学在进行大学基础物理实验超声波波形测量时由实验思考自主提出。根据思考影响超声波波形的影响因素，提出可以利用流体对超声波传播的影响来测量流体的流速和流向。经查阅相关资料发现，该想法在原理上可行，国外已经有相关产品，并且在相关领域相比传统装置具有显著优势；国内相关产品研发还处于初级阶段。课题提出后，得到实验指导老师张广斌老师的重视和鼓励，并在相关专业老师的指导建议下，项目负责人组建了三人的科创团队进行了半年的相关知识积累和学习。团队中两人来自应用物理专业2010级，一人来自航天学院2010级，课程设置中均已学习了C语言、Matlab软件、大学物理实验、电路分析基础、现代电子技术基础（模电部分）、电子线路设计与应用、电工电子实训、3DMax等。在实验基础积累方面，团队中两人来自校大学生科协，长期负责电器维修、电路设计的实践活动，并参与了本科生学术科技论坛的相关工作，有较为牢固的实践基础。另外，针对该课题，小组组织了多次与做过相关科创项目的学长的交流，获得了大量有用的实践经验。6.现有的资源1.物理实验中心实验室及相关实验设备2.图书馆及其数字资源3.超声波测距实验项目成果及相关资料4.网络资源5.相关学科老师和仪器原理