[发明专利]一种扫频式超声波风速测量方法

摘要

本发明公开了一种扫频式超声波风速测量方法，属于风力发电技术领域。该方法从信号源上利用频率连续变化的正弦信号源，通过采集的频率差计算出相应的风速矢量，有效地避免温度、噪声等对测量精度的影响。本方法从信号源上利用频率连续变化的正弦信号源，通过采集的频率差计算出相应的风速，该方法有效降低风速测量系统的难度和成本，提高风速的测量精度。避免时差法测风速电路中皮秒级的时间采集，更重要的是避免时差法中超声波驱动电路不可忽视的延时所引入的误差以及温度、噪声等对测量精度的影响。本发明测量周期较短、响应速度较快，而且消除了声速对测量精度的影响。

主权项

1.一种扫频式超声波风速测量方法，其特征在于：该方法的实现过程如下，假设超声波在空气中传播速度为V_C，被测风速为V_f；超声波在空气中的传播速度会和空气向上的气流速度叠加，若超声波的传播方向与风速的方向相同，那么超声波的速度会加快即为：V_c+V_f，反之若超声波的传播方向与风速的方向相反，超声波的速度会减慢，为V_C‑V_f，由两超声波传感器之间的距离固定得：其中，L为超声波接收与发射模块之间的距离，t₁和t₂分别为顺风向和逆风向测量时发射模块的传播时间与接收模块的传播时间；由V_f可知若要得到风速须知t₁、t₂；设一对超声波传感器的信号为C1和C2，首先令超声波传感器的信号C1发送，C2接收；此时，超声波发送和接收的频率信号不再采用固有频率信号而是采用随时间连续变化的扫频信号；即通过频率连续变化的正弦波信号发生电路产生频率在90KHZ‑110KHZ范围内连续变化的正弦信号，幅值保持不变，将该信号施加于超声波传感器的信号C1为发送端驱动电路，驱动超声波传感器的信号C1为发射信号；t₁为发射超声波传感器的信号C1传送到接收超声波传感器的信号C2的时间差，f₁为任一时刻发射超声波传感器的信号C1、接收超声波传感器的信号C2的瞬时频率差f₁＝f₁′‑f₂′，f₁′,f₂′为这一时刻发射超声波传感器的信号C1、接收超声波传感器的信号C2的瞬时频率，由于扫频信号连续变化，其斜率为K，K由信号发生电路设置，为已知量，因此，由K＝f₁/t₁，得t₁＝f₁/K；同理，当超声波传感器的信号C2发送，超声波传感器的信号C1接收时，知t₂＝f₂/K；之后，将t₁＝f₁/K，t₂＝f₂/K带入式(1)中得其中f₁，f₂为顺风向和逆风向的发射与接收频率差，该频率差通过下述方法进行测量；同一时刻将超声波传感器上采集的信号送入混频器进行信号相乘，由正弦信号的积化和差可知，混频器输出信号为C1与C2的频率和与频率差信号叠加，之后，将混合信号经低通滤波器滤除频率和信号，则获得相应的频率差信号f₁或f₂，当C1发送C2接收时采集回来的频差为f₁，当C2发送C1接收时采集回来的频差为f₂。