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超聲風速儀原理
聲波發(fā)射器使用超聲波,以便與環(huán)境聲波相區(qū)別。在距測風儀器一定距離的兩端各置一對超聲波發(fā)射器和接收器,超聲波從發(fā)射器到接收器逆風傳播時間與順風傳播時間之差與該距離上風速分量成正比,而逆風傳播與順風傳播時間之和與該距離上空氣溫有關(guān)。通過電子線路測得時間差和時間之和就可求得風速。在東西、南北、垂直方向上各放置兩對聲發(fā)射器和接收器,就可分別測量出3個方向上的風速分量。聲波傳播速度與氣溫有關(guān),測量結(jié)果需做溫度訂正。這種儀器具有較寬的量程和靈敏度;不必考慮旋轉(zhuǎn)式風速表所固有的啟動風速,響應(yīng)速度快,可測量微風。廣泛用于大氣湍流的研究。
1 基于時間差法超聲波風速儀的設(shè)計
利用超聲波測量風速可采用時間差法、相位差法和頻率差法等幾類方法。其中，相位差法與測試環(huán)境溫度有關(guān)；頻率差法穩(wěn)定性較差；時間差法與測試環(huán)境溫度、濕度均無關(guān)且相對較穩(wěn)定，同時，時間（時間差）也是人類至今為止測試精度最高的物理參量，因此。目前人們普遍采用時間差法來設(shè)計、研制風速測試儀。該項目采用時間差法設(shè)計并研制超聲波風速測速儀。
2 時間差法超聲波風速儀工作原理
基于時間差方法超聲波風速測速儀設(shè)計方案如圖1所示。信號控制系統(tǒng)發(fā)出一次觸發(fā)信號觸發(fā)x軸線上一對超聲波探頭中的一個，使其發(fā)射頻率為f的超聲波脈沖串，該脈沖串經(jīng)頂部反射面反射后（如圖2），由該方向的另一超聲波探頭接收，接收超聲波信號經(jīng)放大器放大后，由接收機記錄超聲波傳輸時間t1x；
圖2 超聲波束傳輸路徑
然后，信號控制系統(tǒng)再發(fā)出一次觸發(fā)信號觸發(fā)x軸線上一對超聲波探頭中的另一個，而第一次作為發(fā)射源的超聲波探頭作為接收器，重復(fù)上述步驟，記錄超聲波傳輸時間t2x；依據(jù)兩次測量情況下超聲波傳輸?shù)臅r間差（t2x- t1x），計算風的x向速率vx；
圖1 基于時間差法風速測速儀設(shè)計方案
同理，信號控制系統(tǒng)分別沿y方向順風、逆風各發(fā)射一次超聲波脈沖串，通過時間差（t2y- t1y）計算風的y向速率vy；按矢量合成法則，可計算得到風速的速率以及風速方向；最后將計算結(jié)果傳入顯示系統(tǒng)顯示。
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