超声波风速风向传感器测速原理及其应用

时间：2021-03-26

风矢量是指风速和风向，是气象监测中基本的监测要素之一。

现代气象站随着物联网技术和传感器技术的发展，变得越来越智能化，并逐渐向着全天无人值守发展。因此，现代气象站迫切需要一款精度高，免维护的风速风向传感器。

传统的机械式风速风向传感器存在转动部件，*产生磨损。机械结构可能受到恶劣天气的损害。沙尘和盐雾也会对其造成腐蚀。同时由于摩擦的存在机械式风速风向仪还存在启动风速。低于启动值的风速将不能驱动螺旋桨或者风杯进行旋转。因此对于低于启动风速的微风机械式风速仪将无法测量。为克服传统风杯式风速风向仪的固有缺点新型超声波风速风向仪应运而生。

超声波风速风向传感器由于其反应速度快、测量精度高、维护使用方便等优点，在工业领域和科学研究中得到了广泛地应用。超声波风速风向传感器主要利用四个垂直放置的超声波传感器发射的超声波频率差别来计算风速和风向，并通过传感器输出以风速（m/s）和风向（°）。

三种超声波测速法

超声波式测风速主要有时差法、频差法、相位差法和相关法等测量方法。

时差法

时差法较为常见，其原理为：在平静空气中，声波的传播速度会被在风方向的空气流动所改变。如果风向和声波的传播方向相同，就会增大声波的传播速度，反之则会减小声波的速度。

在超声波在空气中传播时，顺风与逆风方向传播存在一个速度差，当传播固定距离时，此速度差反映一个时间差,这个时间差与待测风速具有线性关系。因此，超声波风速风向传感器是以固定频率顺序发射超声波，测量两个方向上超声波的到达时间，由此得到顺风的传播速度和逆风的传播速度，经过处理换算即得到风速值。

频差法

频差法是循环多次的直接法此法的精度是直接时差法的循环次数倍适用于中、小口径管道优点是精度高、受温度影响较小缺点是受环境影响*作不稳定。

相位差法

相位差法是将风速通过时间差转换为相位进行测量。

超声波风速风向传感器存在的问题

风向角瞬变问题：在分析由二维超声波风速风向传感器测得的风向信号时，风向数据中普遍存在风向角瞬变现象，即在很短的时间内风向角出现较为剧烈且幅度很大的波动。风向角瞬变时段的风向信号波动特性与其他时段明显不同，只有深入了解出现风向角瞬变现象的原因，才能判断出这种现象是否会对后续风向信号波动分析产生影响，如果有不利影响，还应采用适当的方法对风向信号做合理的修正。

超声波风速风向传感器目前广泛应用于电力安全监控、桥梁隧道、航海船舶城市环境监测、道路安全等领域。超声波风速仪的诸多优点使其运用越来越广泛，是未来将占风速测量装置的主导位置。

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