矿用超声波风速风向仪及其测风方法与设计方案
超声波时差法与tdcgp21的风速风向传感器设计
FengYing1,2,3 ,ZhangDesheng1,2,3
(1.ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandClean Utilization; 3.Research Center of Mine Safety Engineering and Technology)
摘要:本文介绍了超声波 时 差 法 测 量 风 速 的 基 本 原 理 及 TDC GP21 测 量 时 间 间 隔 的 原 理,详 细 描 述 了 基 于 TDC
GP21和 STM32F103微控制器的风速传感器的 工 作 原 理、硬 件 电 路 设 计 及 软 件 流 程。 实 验 结 果 表 明,本 文 设 计 的 风 速
1 超声波时差法原理
在 空 气 中 传 播 时 ,超 声 波 的 速 度 会 和 风 流 速 度 相 叠 加 , 若其传播方向与风流 方 向 一 致,传 播 速 度 会 变 快;反 之,速
* 基 金 项 目 :矿 用 典 型 设 备 全 生 命 周 期 管 理 系 统 (2018CX08)。
度会变慢。当超声波在空气中顺风和逆风传播相同的距离 时,传播时间存在差异,而该差异与风流的速度有关 。 [4]
Keywords:TDC-GP21;STM32F103;time-difference;ultrasonic
引言
目前,煤矿巷道风 速 的 测 量 方 式 一 般 为 差 压 式、超 声 波涡街式或机械风杯式,但这几种风速测量方法只能 测 量 出风速的大小和粗略判断风向是正向还是反向,无法 具 体 判断风向。同时,由于安装误差或者长期使用后传感 器 安 装位置发生变动,使得风速传感器在煤矿巷道内的测 量 方 向 与 风 流 方 向 不 一 致 ,从 [1-2] 而 导 致 风 速 测 量 不 准 确 。 因 此,在测量风速的同 时 准 确 判 断 风 流 风 向,有 助 于 提 高 风 速测量精度,本文采用超声波时差法实现风速和风向 的 同 时测量。时差法是通过超声波顺风和逆风传输时间差来 间接测量风速的大小 和 方 向,因 而 风 速 风 向 测 量 的 准 确 性 取决 于 传 输 时 间 的 测 量。 本 文 采 用 德 国 ACAM 研 发 的 TDC GP21芯片可实现皮秒级别的微小时间间隔测量 。 [3]
超声波风速风向测量装置的设计
磨损 ， 而且 存 在 “ 过 高效应 ” ［ １ １ ， 致 使其测 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 景 方 式 ． 如激 光 风 速 仪 、 超声 波风速仪 、 高 集 成 度 的 ＭＥ Ｍ Ｓ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。
Ｚ ＨＡＮＧ Ｇｕ ａ ｎ ｇ － ｂ ｉ ｎ， Ｗ ＡＮＧ Ｂ ｉ ｎ — ｂ ｉ ｎ，ＣＨＥＮ Ｙｕ — ｌ ｉ ｎ，Ｚ ＨＡＮＧ Ｃ ｈ ａ ｏ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆＡ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄＡ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｃ ｉ ｓ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ １ １ ０ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
第２ １ 卷 第 ｌ ７期
Ｖ０ １ ． ２ｌ Ｎｏ ． １ ７
电 子 设 计 工 程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｍａ Ｅｎｇ
２ ０ １ ３年 ９月
Ｓ ｅ ｐ． ２ ０１ ３
超 声波风速风向测量 装置的设计
张 广 斌 ，王 斌 斌 ，陈 玉 播 特 性 ，声 速 近 似 为
３ ４ ０ ｍ／ ｓ 、 风速小于 ３ ０ ｍ ／ ｓ 时． 风 对 声 速 的影 响近 似 成 线 性 关 系１ ３ １ 。因此 ， 超 声 波 在 空 气 中传 播 固 定 距 离 时 ， 顺 风 和 逆 风 传
超声波风速仪是如何测量风速的
超声波风速仪是如何测量风速的
超声波风速仪最早于 1950 年代被开发出来。
它的原理是测量超声波脉冲在两个探头之间传播的时间来计算空气移动的速度，也就是风速。
当空气移动时，超声波在两个探头之间的时间会变长或变短。
超声波在空气里就像水里的鱼，水的流动方向，顺流而下或逆流而上，会影响鱼行进的速度。
上图是一个最常见的超声波风速仪，它有一个超声波发射探头，三个超声波接收探头。
这样，就可以测量在二维平面上3 个方向上的风速。
根据平面几何原理，要计算风速和方向，我们只需要两个不同方向上的风速就够用了。
但为了提高计算的精度和稳定性，通常会提供一个冗余的测量值，就像上图的结构。
另外，上图的这个结构，可以提供三维空间上的风速和风向测量，它的原理并没有本质的区别，就是各个方向上的向量合成。
但是，在很多场合，由于结构上的特点，上述两个结构会出现一些问题。
比如，超声波风速仪的一个重要特点就是防结冰，但是上述结构在加热方面还是会有一些欠缺，在极端情况下，仍然会发生结冰，比如，下图的情况：
为了扩展使用场合，适应更严苛的环境，如下图的结构被开发出来：
它没有裸露在外的探头，它整个结构更紧凑，可以做的更小，并
且加热更容易。
它的原理在传统基础上做了改进，如下图：
它的发射和接收器件完全封装在上部的密闭器件里，发射器和接收器之间通过底部平面的反射来进行超声波的传递。
通过计算气流对超声波发射和接收的影响来计算风速。
以上，是超声波的基本工作原理和产品形式。
超声波风速测量仪
系统框图：
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模块介绍：
单片机模块 MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开
始推向市场的一种 16 位超低功耗、具有精简指令（RISC） 的混合信号处理器（Mixed SignalProcessor）。称之为 混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不 同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个 芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机具有 处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方 便高效的开发环境等诸多优点。
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LCD 液晶显示屏模块：
系统的输出结果通过 LCD12864 显示屏显示。利用 该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令，可构 成全中文人机交互图形界面。LCD12864 具有 20个 管脚，其与 MSP430 连接的电路原理图如图所示。
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ISD 语音播报模块：
ISD1730 是 ISD 公司最新推出的单片高音质语音录放电路， 该芯片提供多项创新功能，包括多信息管理系统，新信息提示， 双运作模式，以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含 有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡 器与内存等全方位整合系统功能。具体的电路原理图如图所示。
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作品原理：
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，使用时差法进行测量。
首先在测量现场调试程序，通过修改变量参数使得液 晶上的风速显示量在无风状态下为0，之后烧录程序开始 测量。以x，y的先后顺序依次测量两个方向上超声波的传 送时间，通过与无风时间进行比较判断风速方向与大小， 之后利用勾股定理计算得合风速。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。
超声波风速仪原理
超声波风速仪原理超声波风速仪是一种利用超声波技术来测量风速的仪器，它能够准确地测量风速，并且在气象、航空、环境监测等领域有着广泛的应用。
那么，超声波风速仪是如何工作的呢？接下来，我们将详细介绍超声波风速仪的原理。
超声波风速仪的原理基于多普勒效应。
当超声波遇到运动的空气分子时，它们会发生频率的变化。
如果空气分子朝向超声波源运动，那么超声波的频率会增加；反之，如果空气分子远离超声波源运动，那么超声波的频率会减小。
通过测量超声波的频率变化，就可以计算出空气流动的速度，从而实现对风速的测量。
超声波风速仪通常由发射器和接收器组成。
发射器会发出一束超声波，而接收器则用来接收反射回来的超声波。
当超声波遇到风时，它们会发生频率的变化，这个变化会被接收器捕捉到。
通过测量超声波的频率变化，就可以计算出风速的大小。
超声波风速仪的工作原理非常简单，但是它有着很高的测量精度和稳定性。
与传统的风速仪器相比，超声波风速仪不受风向的影响，可以实现全方位的风速测量。
而且，超声波风速仪不需要机械运动部件，因此具有较长的使用寿命和较少的维护需求。
除此之外，超声波风速仪还具有较大的测量范围和快速的响应速度。
它可以测量从几厘米每秒到几十米每秒的风速，并且可以实时输出测量结果。
这使得超声波风速仪在气象、环境监测和工程应用中有着广泛的用途。
总的来说，超声波风速仪利用多普勒效应实现了对风速的准确测量，具有高精度、稳定性强、全方位测量、长寿命、快速响应等优点。
它在气象、环境监测、航空航天等领域有着重要的应用，为我们提供了重要的气象数据和环境信息。
随着科技的不断进步，相信超声波风速仪将会有着更广阔的发展前景。
超声波传感技术的矿用多通道智能风速风向仪
超声波传感技术的矿用多通道智能风速风向仪邹云龙;徐雪战【摘要】针对国内矿井现阶段测风仪器产品测量精准度易受井下潮湿、多尘等复杂条件的影响,提出了一种矿用智能多通道风速风向仪.软件采用多平台分模块设计,利用多段拟合进行测量参数误差修正,将超声波传感器、干湿温度传感器、压力传感器、信号转换电路等集成在风速风向仪手持终端上,实现了风速、风向等待测环境参数的多通道快速精准测量与参数自主校准.通过在测试环境下与传统机械风表的对比测试,结果表明:平均测试误差仅为2.47%,测风效果与稳定性明显高于传统机械风表.%Aiming at influence of damp and dust under mine on inaccuracy of measurement of domestic wind instruments,put forward a smart multi-channel wind speed and direction equipment for mine.Its system software is designed by multi-platform module,using multi-stage fitting for measurement parameter error correction and ultrasonic sensors,dry wet temperature sensor,pressure sensor,signal conversion circuit are integrated on handheld terminal,realize multi-channel,fast and accurate measurement and autonomous calibration of instrument pared with the test results of the traditional instrument,the average test error of this intelligent instrument is only 2.47% under the national standards,and the measuring effect and its stability is significantly higher than the traditional mechanical wind equipment.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)006【总页数】4页(P108-111)【关键词】超声波;风速风向;风速测量;多通道;校准方法【作者】邹云龙;徐雪战【作者单位】中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037;中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037【正文语种】中文【中图分类】TP212随着矿井开拓延伸的不断变化，需要及时调整矿井的通风网络系统结构及风量大小[1，2]，以满足矿井所有用风点的风量需求，进而实现矿井的安全稳定生产。
超声波风速风向仪的电路设计
ａ ｎ ｄ ｐ ｅ ａ ｋ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｂｉ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ， ａ ｎ ｄ
１ ０ ０ １ ９ ０ ； ２ ． 中国科学 院大 学 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ ０ ） （ １ ． 中国科学 院电子学研 究所传 感技术国家重点实验室 ， 北京
摘要 ： 超声波风速风 向仪 由于其精度 高、 反应速度快等诸 多优 势， 具有广泛的应用 。文 中针对基 于时差法超 声风速风 向检测 系统对 处理 器配置要 求 高、 接 收信 号易受干扰等特点 ， 设计 了系统的超 声波收发 电路 、 隔离电路 、 放 大滤波 电路 及
ｉ ｎ ｔ ｅ ｆｅ ｒ ｒ ｅ ｄ ． Ｉ ｎ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｂ ｏ ｖ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ， ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｔ ｒ ｎｓ ａ ｍｉ ｔ — ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ， ｉ ｓ ｏ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ， ａ ｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｉ ｆ ｌ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ
Ｃｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｕｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ Ａｎ ｅ ｍｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ
Ｇ ＡＯ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ — ｈ ｕ ａ ， Ｚ ＨＡＯ Ｚ ｈ ａ ｎ ， ＤＵ Ｌ ｉ — ｄ ｏ ｎ ｇ ， Ｆ ＡＮＧ Ｚ ｈ ｅ ｎ ， Ｗ Ｕ Ｓ ｈ ａ ｏ — ｈ ｕ ａ
基于超声波的检测、测距、测速技术方案汇总
基于超声波的检测、测距、测速技术方案汇总基于超声波的应用非常广泛，常见的有用于检测、测距、测速等方面，此篇技术方案汇总将带你详细了解超声波的相关应用。
采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计采用直接时差法，以TMS320F2812为控制单元控制超声波的发射与接收，实现了超声波风速风向仪的设计。
该超声波风速风向仪利用模拟开关设计驱动电路，减少了电磁干扰对电路的影响...基于单接收头的超声波多目标测距超声波测距传感器以其测量精度高、响应快和价格低廉而广泛应用在工业现场测距、移动机器人导航和定位等场合。
超声波测距传感器常用的方式是1个发射头对应1个接收头，也有多个发射头对应1个接收头...相控阵超声波车轮缺陷探伤技术研究超声相控阵技术通过对超声阵列换能器中各阵元进行相位控制，获得灵活可控的合成波束。
它具有能进行动态聚焦、可进行成像检测、可检测复杂形状物体、能提高检测灵敏度、分辨力和信噪比等多项优点...基于超声波的围岩松动圈实时监测系统设计鉴于超声波测试的简单、易于操作和无损伤等特点，本文提出了一种基于超声波的围岩裂隙监测系统。
此系统结合成熟的干孔测试方法，可以方便实时地检测到围岩松动圈的信息，为巷道的安全支护及时提供信息，确保矿藏生产的安全...数字式超声波探伤仪中高速数据采集模块技术方案由于超声波检测具有穿透力强，检测灵敏度高等优点，因而在航空航天、冶金造船、石油化工、铁路等领域起着广泛的作用。
一般采用超声无损检测技术的超声探伤仪有模拟式和数字式之分，随着计算机技术、微电子技术及数字信号处理技术的发展...基于超声波的车位探测节点的设计利用超声波技术“感知”停车场车位的使用情况，通过无线网络把车位信息传送到汇聚节点，管理停车场内所有车位的使用状况。
探测节点由超声波传感器、微处理器、无线射频模块、电源组成...结合温度补偿的超声波测距系统设计超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它是由与介质相接触的震荡源所引起的，其频率在20kHz以上。
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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。
4.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，所述压电振子由具备压电效应的复合晶体材料制成，以将所述超声波换能器发射声波的电信号转换为机械振动信号，并将接收到的机械振动信号转换为电信号。
5.一种应用于如权利要求1至4中任一所述的矿用超声波风速风向仪的测风方法，其特征在于，所述方法包括：超声波收发传感器中的收发信号主控模块控制声波发射驱动模块产生声波发射电信号，并经由滤波放大模块对所述电信号处理以后传输到超声波换能器处，以发射超声波信号；所述超声波信号在传输过程中，遇到障碍物反射，形成超声回波信号；超声波收发传感器中的回波信号接收模块接收到所述超声回波信号，并将所述超声回波信号转换为电信号，转换后的电信号经由滤波放大模块滤除噪音信号及放大处理后，经由信号处理模块判断处理，最后经由时间计算单元记录超声波信号收发所需的时间，以得到超声波换能器到障碍物之间的距离。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，按照下述公式确定风速在空间三维坐标系中三个坐标轴上的分量：其中，Vi表示风速在其中一个坐标轴上的分量，li表示在该坐标轴上两个超声波收发传感器之间的距离，t2表示超声波在逆风中的传播时间，t1表示超声波在顺风中的传播时间。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将风速在所述三个坐标轴上的分量进行矢量合成，以得到所述风速在空间三维坐标系中的速度值及风向值。
技术说明书一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法技术领域本技术属于测风技术领域，涉及一种矿用超声波风速风向仪及其测风方法。
背景技术矿井通风为煤矿用风地点输送新鲜空气，并排出污浊空气，是矿井安全和矿工工作环境的基础保障。
为及时准确掌握井下通风系统运行状况，对矿井通风巷道进行风速、风量测量是煤矿的日常工作，需要投入大量的人力和时间。
而先进的测量装置和测风方法可以提高风速、风量测量精度和测风效率。
现阶段，我国矿井主要采用叶轮机械式风速表对用风点的风速、风量测量。
测量过程中，叶轮机械式风速表叶片在风流驱动下发生转动，带动风速表内部转轴运动进而实现风速、风量的测量。
但由于机械式风速表的设计特点，启动风速较高(一般在0.2m/s以上)，不能满足《煤矿安全规程》中岩巷风速不小于0.15m/s的要求；机械式风速表采用巷道断面线路法测量平均风速，对测量人员经验要求高，测量精度受人为因素影响大；测量需要一分钟，且配备秒表，测量时间过长；测量过程中易受井下潮湿、多尘等复杂恶劣环境影响，造成叶片腐蚀。
以上诸多原因导致在投入大量人力和时间的情况下仍不能准确掌握通风系统状况。
基于以上因素，在矿井需风地点风速、风量的测量过程中，迫切需要一种性能稳定、启动风速低、测量精度高，能适应矿井恶劣使用环境的风速风向测量仪器。
技术内容有鉴于此，本技术的目的在于提供一种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。
为达到上述目的，本技术提供如下技术方案：一种矿用超声波风速风向仪，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；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。
进一步地，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。
进一步地，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。
进一步地，所述压电振子由具备压电效应的复合晶体材料制成，以将所述超声波换能器发射声波的电信号转换为机械振动信号，并将接收到的机械振动信号转换为电信号。
一种测风方法，所述方法包括：超声波收发传感器中的收发信号主控模块控制声波发射驱动模块产生声波发射电信号，并经由滤波放大模块对所述电信号处理以后传输到超声波换能器处，以发射超声波信号；所述超声波信号在传输过程中，遇到障碍物反射，形成超声回波信号；超声波收发传感器中的回波信号接收模块接收到所述超声回波信号，并将所述超声回波信号转换为电信号，转换后的电信号经由滤波放大模块滤除噪音信号及放大处理后，经由信号处理模块判断处理，最后经由时间计算单元记录超声波信号收发所需的时间，以得到超声波换能器到障碍物之间的距离。
进一步地，按照下述公式确定风速在空间三维坐标系中三个坐标轴上的分量：其中，Vi表示风速在其中一个坐标轴上的分量，li表示在该坐标轴上两个超声波收发传感器之间的距离，t2表示超声波在逆风中的传播时间，t1表示超声波在顺风中的传播时间。
进一步地，所述方法还包括：将风速在所述三个坐标轴上的分量进行矢量合成，以得到所述风速在空间三维坐标系中的速度值及风向值。
本技术的有益效果在于：本技术提出的矿用超声波风速风向仪及其测风方法，采用信息处理技术，实时准确测量出井下待测地点的风速、风向等信息，从而解决了传统叶轮机械式风速表适用范围窄、测量结果误差大且启动风速高等问题，能够适应矿井恶劣的使用环境。
附图说明为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本技术提供如下附图进行说明：图1是本技术一种矿用超声波风速风向仪的整体结构框图；图2是本技术所述超声波换能器的结构图；图3是超声波收发传感器工作原理图；图4是超声波收发传感器探头布置结构图；图5是风矢量合成示意图；图6是超声波收发出传感器测风方法图。
具体实施方式下面将结合附图，对本技术的优选实施例进行详细的描述。
请参阅图1，本申请实施方式提供一种矿用超声波风速风向仪，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；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。
请参阅图3，在本实施方式中，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：请参阅图2，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。
在本实施方式中，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。
在本实施方式中，所述压电振子由具备压电效应的复合晶体材料制成，以将所述超声波换能器发射声波的电信号转换为机械振动信号，并将接收到的机械振动信号转换为电信号。
为了防止环境噪音及压电振子发射的超声波对接收的超声波信号造成干扰，在超声波换能器内部及四周分别设计有声波吸收物质及隔音涂层，用来隔绝环境噪音及压电振子衍射到换能器内部的声波信号，进而实现噪音声波脉冲阻尼小于3×10-5s本申请还提供一种应用于上述矿用超声波风速风向仪的测风方法，所述方法包括：超声波收发传感器中的收发信号主控模块控制声波发射驱动模块产生声波发射电信号，并经由滤波放大模块对所述电信号处理以后传输到超声波换能器处，以发射超声波信号；所述超声波信号在传输过程中，遇到障碍物反射，形成超声回波信号；超声波收发传感器中的回波信号接收模块接收到所述超声回波信号，并将所述超声回波信号转换为电信号，转换后的电信号经由滤波放大模块滤除噪音信号及放大处理后，经由信号处理模块判断处理，最后经由时间计算单元记录超声波信号收发所需的时间，以得到超声波换能器到障碍物之间的距离。