超声波风速风向仪设计
超声波风速风向仪设计说明
超声波风速风向仪设计1.研究背景及意义风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。
风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。
杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。
热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。
这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。
现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。
2.国外研究历史及发展状况超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。
70年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的PLL（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。
同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。
该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。
80年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。
90年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。
从国、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。
当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果,其销售份额也排在前几位。
日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。
超声波风速风向仪设计汇总
超声波风速风向仪设计汇总硬件设计方面，首先需要设计超声波传感器模块。
该模块由超声波发射器和接收器组成。
超声波发射器产生超声波信号，而接收器接收回波信号。
这两个模块之间的距离可以确定风速的大小。
接下来是信号处理模块的设计。
该模块将接收到的超声波信号进行放大和滤波处理，以减少噪声的干扰。
随后，模数转换器将模拟信号转换为数字信号。
为了确定风向，需要设计方位传感器模块。
该模块可以测量超声波传感器模块相对于北方的角度。
这将使我们能够确定风的方向。
算法设计方面，首先需要进行数据校准。
这个过程可以通过将风速仪放置在已知风速下进行校准。
通过比较已知的风速数据和测量的数据，我们可以确定校准系数。
这些系数将用于计算真实风速。
然后，需要设计算法来计算风速和风向。
这可以通过计算超声波传感器模块之间的距离差来实现。
距离差越大，风速越大。
同时，通过计算方位传感器模块相对于北方的角度，可以确定风的方向。
最后，还需要设计用户界面模块。
该模块用于显示风速和风向的数据。
可以使用LCD显示屏显示这些数据。
用户还可以通过按键来选择不同的功能和模式。
总结来说，超声波风速风向仪的设计包括硬件设计和算法设计两个方面。
硬件设计主要涉及超声波传感器模块和方位传感器模块的设计，以及信号处理模块和数据采集模块的设计。
算法设计主要涉及风速和风向的计算算法和数据校准算法。
同时，还需要设计用户界面模块来显示数据和提供用户交互。
这些设计可以使超声波风速风向仪准确地测量风速和风向，具有较高的实用性和可操作性。
超声波风速仪的设计
超声波风速仪的设计摘要风作为一种自然现象,它是影响气候变化的最重要因素之一。
本身又蕴藏着巨大的能量,能对人类活动产生重大影响。
风能利用也已经成为解决全球能源问题的重要方案之一。
风向风速测量仪用于测量目的地的风向风速,其测量到的瞬时风向风速,经计算处理可输出瞬时风速风向值、平均风速风向值、最大风速等数据。
基于超声波的风速测量仪器结构简单、无运动部件、使用寿命长，利用超声波收、发换能器发送接收脉冲信号，没有零点漂移，以上优点很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用。
它将是机械式风速仪的强有力替代品。
本设计采用STC89C52单片机作为模块处理器，使用四个超声波探头，东西方向及其南北方向各放置一对超声波探头，通过测量两对超声波接收时间差，利用时差法分别计算两个方向的风速，最后通过向量的叠加来实现风速的测量，包括大小及其方向。
由于温度对超声波的传播具有一定的影响，故在本设计中对声波的传播进行温度补偿，温度补偿的实现通过性能稳定的温度传感器DS18B20进行温度检测，从而实现风速的补偿。
在通信模块中，通过RS485通信技术，采用MODBUS协议，并且带有CRC 校验，将单片机采集的数据经过处理计算上传至上位机，实现上位机对风速的监测、存储、分析，进而实现在上位机上完成数据的显示、风速风向的测定值的显示、历史数据的查询等扩展功能。
超声波的风速测量仪研究的目的是实现风速风向的自动测量，提高风速测量的精度，扩展风速测量范围，进而取代目前国内市场上缺陷颇多的传统机械旋转型风速仪；引入RS485通信技术，使区域气象监测更具自动化、智能化。
关键词：STC89C52单片机；超声波;TDC-GP21；RS485通信；ABSTRACTThe wind as a natural phenomenon, it is one of the most important factor in the impact of climate change . Itself has huge energy,which can have a significant impact on human activities. Wind energy has become one of the important solutions to solve the problem of global energy. Ultrasonic anemometer is used to measure wind direction and speed, the measured instantaneous wind direction and speed, the calculation by computing, can be output value, average wind speed and direction values,maximum wind speed data. The anemometer based on the ultrasonic ,simple structure, no moving parts ,long service life, sent to send and receive pulses signal by ultrasonic transducer , no zero drift. The advantages aboved is to overcome the inherent flaws of mechanical anemometer. So it can work around the clock, normal for long, more and more widely used. It will be a powerful alternative of mechanical anemometer. This design adopts STC89C52 microcomputer as the processor module . It uses four ultrasonic probe, the east-west and north-south direction placed a pair of ultrasonic probe, by measuring the time of ultrasonic transmitting and receiving . Time difference method is used to calculate wind speed and finally getting the result by vector superposition including the size and direction. Due to the influence of temperature on the ultrasonic transmission, so in this design temperature compensation is used , the realization of temperature compensation by temperature sensor DS18B20 that has stable performance , so as to realize the compensation of wind speed. In communication module, through the RS485 communication technology, adopts the MODBUS protocol, and with a CRC check. The microcomputer collect processed data to upload the first machine , realizing wind speed monitoring, storage, analysis. The purpose of ultrasonic anemometer is to realize the automatic measurement of wind speed and direction, improve the accuracy of measurement, expanding the range of wind speed measurement . Introduction of RS485 communication technology, make the regional meteorological monitoring more automatic and intelligent.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 前言 (1)1.1 背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 设计的任务与要求 (3)1.4 本设计的创新点 (3)2 系统的总体方案设计与论证 (4)2.1 系统的整体方案设计 (4)2.2系统的整体方案论证 (5)3 系统的硬件设计 (6)3.1 单片机简介 (6)3.2超声波的概述 (8)3.3电源模块 (10)3.4 风速仪的测速原理 (12)3.5 超声波反射接收模块 (14)3.6 485通讯模块 (15)3.7温度补偿模块 (17)4 系统的软件设计 (19)4.1 计算风速算法的选择 (19)4.2 主程序流程图 (21)4.3 温度测量部分的软件设计 (21)4.4 485通讯模块的软件设计 (23)4.5 上位机软件设计 (25)结论 ............................................... 错误!未定义书签。
基于DSP的超声波式风速风向检测仪的设计
1 超声波风速风向检测仪的结构和测量原理
超声 波 测风 采 用 时差 法 ， 其 原理 是 利 用 超 声 波 信 号 顺 风 和逆风传播的时间差来测量风速和风向 。 超声波时差法测风 模型 如 图 1 所 示 。 A 、B 分 别为 收 发 一体 式 超 声 波 换 能 器 ， 超 声 波 换能 器 A 和 B 的连 线 与 风向 成 45 度 角 ， 设 置 A 与 B 的 收稿日期 ：2014-04-23 稿件编号 ：201404216
达到 100 MHz ， 最 小 检 测分 辨 率 也只 有 10 ns ， 误 差比 较 大 ； 超 声 波 在 空气 中 传 播速 度 受 温度 影 响 ， 需要 对 温 度 造 成 的 误 差 进 行 修正 ； 同 时 超声 波 换 能器 在 接 收超 声 波 时是 逐 步 起 振 和 余 振逐 步 消 失的 过 程 ， 因此 由 硬 件带 来 的 误差 对 时 间 差 的 测 量具 有 较 大的 影 响 ， 采用 直 接 测量 时 间 差的 方 法 会 造 成 测 量 结果严重失真 [8-9]。 本文测量超声波在空气中传播的时间差 ， 采用对时间测 量信号进行互相关法进行计算 ， 互相关法的优点在于其测量精 度高 ，对环境噪声具有很强的免疫性 。 相关函数描述了一个信号 过去时间和现在时间的相互关系 ， 也可以估计信号的下一个取 值 ， 相关函数能够描述两个信号之间的相互关系或者相似性程 度。 由信号相关性可知，r1（t）和 r2（t）的互相关函数 R12（t）为
VAB=- L （tBA-tAB） tAB*tBA
当 tAB=tBA 时 ， 风速为 0 ， 因此风速表达式可以写为
VAB=
L （tBA-tAB） tAB*tBA
2
（4 ）
超声波风速风向仪设计
超声波风速风向仪设计1.研究背景及意义风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。
风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。
杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。
热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。
这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。
现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。
2.国外研究历史及发展状况超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。
７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。
同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。
该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。
８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。
９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。
从国、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。
当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。
日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。
超声风速仪的设计与研制
超声风速仪的设计与研制随着全球气候变暖，环境污染日益严重，气象学在日常生活中扮演着越来越重要的角色。
而风速是气象学的一个重要参数，因此，精确测量风速的设备和技术变得尤为重要。
近年来，超声波测速法成为了一种重要的测风技术，并且得到了广泛应用。
据此，本文将从设计与研制角度，介绍超声风速仪。
一、超声风速仪的原理超声风速仪采用超声多普勒效应，即利用超声波在气体中的散射和受回波强度影响来确定气流速度和方向。
它利用超声波在气体中传播的速度小于在固体中传播的速度的特点，将声波传播到气流中，并测量气流对声波的回波信号。
根据多普勒效应，当气流向声波源接近时，回波频率增大；气流离声波源远离时，回波频率减小。
通过计算这种频率变化，就可以得出气流的速度。
二、超声风速仪的优点1. 测量范围广：超声风速仪能够测量从几米每秒到300米每秒的宽范围速度。
2. 省电：超声风速仪的工作电流非常小，因此它使用电池操作通常可以持续数月。
3. 精度高：超声波以声速传播，不受外部环境干扰，并且它的速度测量精度高，可以达到0.01米每秒。
4. 可靠性高：超声风速仪是非接触的，无需移动部件，减少了机械磨损，从而提高了它的可靠性。
三、超声风速仪的设计与制造超声风速仪的设计和制造需要多项技术的支持，包括实现超声波的发射与接收，实现频率变化的计算，以及对测量中的干扰进行抑制。
1. 超声波的发射与接收超声风速仪需要通过发射超声波来测量气流的速度，同时还需要接收超声波的回波信号。
为了实现这些功能，超声风速仪需要一个发射超声波的装置和一个接收回波的传感器。
发射超声波的装置通常是一个或多个压电换能器，它能将电信号转换为机械能，并震动产生超声波，通常采用50kHz频率的超声波。
接收回波的传感器也是一个压电换能器，它能将机械能转换为电信号，并将回波传送到信号处理器。
2. 频率变化的计算超声风速仪测量气流速度需要计算回波频率的变化。
日常使用中，我们需要一个微观控制系统，它包括一个微控制器、频率折返器和运算放大器。
采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计
（ ｎｓ ｉｕ ｅｏｆＡ ｕｔ ｍ ａ ｏｎ Ｅｎ ｎｅ ｒｎｇ， Ｕ ｉｅ ｓｔ ｆＥｌｃ ｒ ｉ ｉｎ ｅ ａ ｃ ｏ ｏ ｆＣｈｉａ，Ｃｈ ｎ Ｉ ｔｔ ｔ ｏ ｔ ｇｉ ｅ ｉ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｅ ｔｏｎｃ Ｓｃｅ ｃ ｎｄ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇｙ ｏ ｎ ｅ ｇｄｕ ６１ １，Ｃｈｉａ） １ ３ ７ ｎ Ａｂｓｒ ｃ ： Ａｎ ｕ ｔａｓ ｎｉ ｎｅ ｏｍ ｅ ｅ ｓ ｄ ｓｇ ｄ ｕｓｎｇ ｄｉｅ ｔｔｍ ｅ ｄｆｅ ｅ ｅｍ ｅ ｈｏ Ｔ Ｍ Ｓ ０Ｆ２８１ ｓｕｓ ｄ ａ ｈｅｃ ｎｔｏｌｕ ｔｆ ｒｔ ａ — ｔａ ｔ ｌｒ ｏ ｃ ａ ｍ ｔ ｒ ｉ ｅ ｉｎｅ ｉ ｒ ｃ ｉ ｉｆ ｒ ｎｃ ｔ ｄ． ３２ ２ ｉ ｅ ｓ ｔ ｏ ｒ ｎｉ ｏ ｒ ｎｓ ｍ ｉｔｎｇ ａｎ ｅ ｅｖ ｎ ｔ ａ ｏｎｉ． ｉｉ ｉｃ ｉ ｓｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｕｓｎｇａ ｌ ｗ ｉｃ ｓ ｅｄ ｃｎｇ ｔ ｍ ｐａ ｔｏ ｌｃ ｒ ｔｉ ｄ ｒ ｃ ｉｉ ｇ ｕｌｒ ｓ ｃ Ｄｒｖｎｇ ｃｒ ｕ ｔｉ ｍ ｌ ｍ ｎ ｅ ｉ ｎａｏｇ ｓ ｔ ｈｅ ，ｒ ｕ ｉ ｈｅｉ ｃ ｆｅｅ ｔｏｍａ ｅｔｃｉ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ｇｎ ｉ ｎｔ ｒｅ ｅ ｅ
超 声 波 风 速 风 向 仪 利 用 模 拟 开 关 设 计 驱 动 电 路 ， 少 了电 磁 干 扰 对 电路 的 影 响 ； 用 限 幅 、 大 、 弦 脉 冲 转换 的 方 法设 减 利 放 正
计 接 收 电路 ， 少 了 Ａ／ 转 换 波 动 对 信 号 捕 获 以及 时 间点 判 断 的 影 响 。 减 Ｄ
ｉ ｈ ｉｃ ｉ ｎ ｔｅｃｒ ｕｔ ．Ｒｅ ｅｖｎ ｉｃ ｉ ｉ ｄ ｓ ｎ ｄｂ ｓｎ ｉ ｔｎ ｍｐｉ ｃｔ ｎｓｎ ｕｓ ｒｎ ｆｒ ｅ ｕ ｉｇｔ ｅｅｆｃ ｆＡ／ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｌｃ ｃｉｉｇｃｒ ｕｔ ｓ ｅｉ ｅ ｙｕ ｉｇｌ ｉｇａ ｌｉａｉ ｉｅｐ ｌｅｔａ ｓｅ ，ｒ ｄ ｃ ｈ ｆｅ ｔ Ｄ ｏ ｖ ｒｉｎｆｕ — ｇ ｍｉ ｆ ｏ ｎ ｏ
矿用超声波风速风向仪及其测风方法与设计方案
本技术涉及一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法，其中，所述超声波风速风向仪包括主控模块、滤波电路、信号放大电路、按照空间三维坐标系分布的六个超声波收发传感器、数据处理模块、服务器及电脑终端；所述空间三维坐标系中包括三条互相垂直的坐标轴，每条坐标轴上各分布两个相对的超声波收发传感器，每条坐标轴上的两个超声波收发传感器在原点两侧对称分布。
本技术提供的矿用超声波风速风向仪及其测风方法，能够适应矿井恶劣的使用环境。
技术要求1.一种矿用超声波风速风向仪，其特征在于，包括主控模块、滤波电路、信号放大电路、按照空间三维坐标系分布的六个超声波收发传感器、数据处理模块、服务器及电脑终端；所述空间三维坐标系中包括三条互相垂直的坐标轴，每条坐标轴上各分布两个相对的超声波收发传感器，每条坐标轴上的两个超声波收发传感器在原点两侧对称分布；其中：所述主控模块发送开始测量信号，所述滤波电路及所述信号放大电路开始工作，所述超声波收发传感器两两对发测速超声波信号，直至所有超声波收发传感器均完成测速超声波信号的收发；所述主控模块将测定数据传输到所述数据处理模块进行数据处理，以获得矿井巷道的风速风向信息；所述数据处理模块通过RS485或WIFI信号将所述风速风向信息传输到所述服务器及控制电脑终端。
2.根据权利要求1所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述超声波收发传感器包括超声波换能器、收发信号主控模块、声波发射驱动模块、滤波放大模块、时间计算单元、信号处理模块以及回波信号接收模块，其中：所述超声波换能器包括依次相连的缓冲保护层、声波吸收物质和控制电路模块，所述超声波换能器的外壳上涂有隔音涂层，所述缓冲保护层中设置有压电振子，所述控制电路模块通过信号线缆与外部进行数据交互。
3.根据权利要求2所述的矿用超声波风速风向仪，其特征在于，所述缓冲保护层由硬质硅脂材料构成，以保护所述超声波换能器内部的压电振子及控制电路模块不受井下环境的影响。
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超声波风速风向仪设计超声波风速风向仪设计1.研究背景及意义风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。
风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。
杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。
热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。
这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。
现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化。
2.国内外研究历史及发展状况超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。
７０年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的ＰＬＬ（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。
同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。
该类方法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。
８０年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。
９０年代才真正实现了高精度超声波气体流量计。
从国内、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。
当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工nstromet公司、英国的Dnaiel公司以及美国的Cnotrolotmo公司均做出了大量的工作并取得了较好的应用效果，其销售份额也排在前几位。
日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处。
我国的超声波流量计设计工作起步比较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已经开始批量生产并投入使用。
风速测量这一领域，国内比较先进的是上海华岩仪器设备有限公司生产的２Ｄ超声波测风仪，国外比较先进的是意大利Deltaohm公司生产的HD2003超声波测风仪。
3.超声波风速风向仪介绍1> 部分产品技术资料及特点简要介绍如下：2>产品具体优势与特点如下：★超声波技术，测量精度高多个超声波探头在测量空间内实时发送、接收超声波信号，确保参数实时高效；严格的单机测试技术确保测量精度高于国内同类产品。
★全固态设计，使用寿命长优势的材料，精密的工艺，全固态设计，使整机无任何转动部件，结构更坚固，能抗海水、盐雾腐蚀，使用寿命长。
★无环境要求，全天候工作仪器内置自动温控保护装置，防止极端寒冷条件下冰雪冻结超声波探头造成的测量性能下降，确保仪器可以在任何环境条件下全天候工作。
★一次性校准，终生免维护仪器在出厂前一次性校准，使用过程中无需任何测试与校准；无需采取任何维护措施。
★无人值守，信息无线传输仪器可采用配套的太阳能电池板供电；测量信息远程无线传输，远距离后方监视。
无需铺设电缆。
可广泛应用于环境恶劣的高山、海岛等无人值守的边远地区。
4.产品应用领域作为高新技术产品，公司研发生产的系列产品在民用、军用领域市场应用前景广阔。
★民用市场★风力发电★气象检测★船舶航海及钻井作业平台★高速铁路公路网★航空机场环境监测★地铁、隧道与矿山开采★军用市场★坦克兵、高炮部队★航空兵部队★海岛、边远地区作战部队★武警及公安消防部队5.超声波的产生与传播超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。
每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等.我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。
一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收.在本实验中，采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器，它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。
1>压电效应某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。
物质的压电效应与其内部的结构有关。
2>脉冲超声波的产生及其特点当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时, 由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。
振荡频率与晶片的厚度和声速有关, 适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波, 即超声波。
此种方式发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波。
3>定位原理利用超声波进行探测的另一个原因是超声探头发射的能量具有较强的指向性。
指向性是指超声波探头发射声束扩散角的大小。
扩散角越小，则指向性越好，对目标定位的准确性越高。
在固体材料的尺寸测量、无损检测、超声诊断、潜艇导航等超声应用中，都利用了超声波的这一特点。
6.超声波风速风向仪的工作原理超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。
声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。
若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。
因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。
通过计算即可得到精确的风速和风向。
由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。
7.超声换能器声波的发射和接收是通过换能器来完成的。
换能器是一种可以把一种形式的能量转换为另一种形式的能量的器件，而超声换能器是一种将超声能转换成电能、机械能或其他一些形式的能量的器件。
目前较为常用超声波换能器是压电式超声波换能器。
压电效应天然地存在于某些具有极轴的单晶体中。
当把具有压电特性的某种晶体材料切割成圆片状或者方片状，并在这两个平面上涂上金属薄膜作为电极，若有机械压力压在涂有电极的表面上时，则会在两个电极面上分别引起等量异号的电荷，因而两电极间会生成一个可观测的电压，这是正向压电效应。
当在两个电极上施加一电压，使之在晶体内形成一个电场时，就会得到反向压电效应，此时晶体将承受一机械应变。
本系统采用市场上常见的频率为４０ＫＨｚ压电陶瓷换能器，完成超声波声能与电能之间的相互转换口。
压电陶瓷换能器具有机电转换率高、容易成型、造价低廉等优点，而且通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声波换能器，如发射型、接收型和收发一体型。
8.超声波风速测量的实现方法采用超声波进行气体流速测量可以采用三种形式：时差法、多普勒法和涡街风速测量法，此系统仅通过时差法来测量。
1>时差法风速测量的基本原理设南北（或东西）两超声波收发器的距离为d,顺风传输时间为t12,逆风传输时间为t21，风速为V（南北为Vx，东西为Vy）超声波传播速度为C ，有d t 12=C+Vx d t 21=C-Vx Vx=d 2 (1t 12 - 1t 21) 同理可求得Vy,进而得出风速V ，风向θ。
由三角合成计算得出：风速为：Vxy=22Vx Vy +风向为：θ=arctan xy V V 该法对于窄带的超声波信号，消除了声速C 的影响，被测风速只与顺，逆流传播时间有关系，因而只要测得t12和t21，便可以求得当前被测风速，风向，基本上消除了温度等影响。
2>传感器配置方案为了使得超声波测量发挥最好的效果，选择一种好的传感器配置方法对有效降低环境因素的负面影响，提高超声波风速测量的可靠性具有重要的意义。
本设计针对三种不同的传感器配置方案进行了对比试验，参与试验配置方案如下方案1：交叉法交叉法采用了四个RT（收发一体）超声波传感器探头，分别AC，BD两组，基于相位差方法的测量原理是在某一时刻，各组中分别有一只探头发射超声波，另一只探头接收信号，下一时刻各组探头功能装换。
这样处理器可以获得2*2个接收数据，通过对这4组数据的处理可以获得风速风向值。
方案2：反射法反射式配置方案包括两个探头极板，一个极板上安装三个RT（配置成等边三角形探头组），三个RT探头传感面保证在一个平面上，此平面平行于反射极板。
三个探头轮流收发，在任意时刻，保证探头组中有一只传感器发射超声波，其余两只传感器接收信号，三只传感器轮换发射一周，可获得三组接收数据，通过计算和处理，可获得风速风向值。
反射板的加入，能够使得超声波传播声程加大，利于提高测量精度。
方案3：三角配置平面三角配置方案，将三个RT探头置于等边三角形的三个顶角，仍使用三探头轮流收发方法，获得三组测量值之后经过计算处理得到最终风速风向值。
三角形边长可以做到10cm以内，传感器组及测量仪器电路板面积不大，这使得测量系统整体结构尺寸能够做的比较小，便于安装。
9.超声波发射接收电路本系统采用频率为40KHz，收发一体的超声波换能器收发超声波信号，因此设计一套收发一体的超声波收发电路。
1>超声波发射电路超声波发射电路由振荡电路，驱动电路及超声波换能器组成。
超声波换能器选用收发一体式，系统共用四个超声波换能器，垂直相向而放，一个超声波换能器配一套振荡电路。
四套振荡电路共用一套驱动电路。
分别用于顺时，逆时发射超声波信号。
2>驱动电路超声波信号经过传播之后能量被衰减，接收电路只能接收到幅度很小的电压信号。
同时超声波换能器在产生超声波时需要一个较高的瞬时脉冲电压，因此为了准确识别接收信号，需要升压电路来驱动超声波换能器。
本系统中采用AD公司的微功耗升压/降压开关稳压器ADP1111来实现升压，ADP1111需要的外围器件极少，能实现升压，降压，反向模式，电压输入范围为+2~+30V,输出电压，电流均可调，输出电压由R6，R7构成的反馈网络调节，其计算公式为：V0=1.25（1+R7/R6)。
为了能得到适当幅度大小的超声波接收信号，R7采用47KΩ的可变电阻器，令R6位1KΩ，通过调节R7的大小可产生最高60V的高压。
3>振荡电路当超声换能器外加等于压电晶片固有振荡频率的脉冲时，压电晶片将会发生共振，产生超声波。
超声换能器具有谐振特性，即使向发射端输入频率与谐振频率相同的任意波形，接收端输出的也是正弦波，因此本振荡电路采用方波驱动。