專利名稱：超聲風(fēng)速溫度儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
超聲風(fēng)速溫度儀技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種超聲風(fēng)速溫度儀，屬于機(jī)械、電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域，具體 說屬于利用聲學(xué)方法測(cè)量三維風(fēng)速、溫度脈動(dòng)的機(jī)械、電子儀器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
[0002]風(fēng)速的測(cè)量在天氣、氣候、大氣、污染、工程氣象(例如風(fēng)能開發(fā))、航天(神舟飛船 發(fā)射安全保障)、航空(風(fēng)切變)、高速鐵路(安全標(biāo)準(zhǔn))等眾多領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用，在各 種復(fù)雜環(huán)境下墊面條件和許多極端氣象條件下(例如沙塵暴，極地考察等)都展現(xiàn)出了巨大 的需求。[0003]同時(shí)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科研工作的深入，軍事上特殊的需求，使得風(fēng)速的測(cè) 量會(huì)更多的應(yīng)用于高效農(nóng)業(yè)、公路、鐵路、橋梁、隧道建設(shè)、竟技體育、大型購物中心、軍事裝 備改良、升級(jí)、風(fēng)切變預(yù)警、核危急處理等領(lǐng)域。[0004]歷史上，科學(xué)家們發(fā)明了風(fēng)杯風(fēng)速儀、螺旋槳式風(fēng)速儀和熱線風(fēng)速儀等測(cè)風(fēng)儀 器，稱為傳統(tǒng)的測(cè)風(fēng)儀器。[0005]傳統(tǒng)的測(cè)風(fēng)儀器可分為兩大類，一類是帶有旋轉(zhuǎn)部件的風(fēng)杯風(fēng)速儀和螺旋槳式風(fēng) 速儀，另一類為熱線風(fēng)速儀。前者因旋轉(zhuǎn)部件的慣性，不能測(cè)很微弱和快變化的風(fēng)，而且定 期需要標(biāo)定。后者雖然能測(cè)快變化的小風(fēng)，但其受雨雪的影響大，輸出是非線性的，標(biāo)定困 難，幾乎不能離開實(shí)驗(yàn)室使用。[0006]上個(gè)世紀(jì)中葉測(cè)風(fēng)儀器的發(fā)展取得重大突破，科學(xué)家們發(fā)明了超聲風(fēng)速溫度儀。 它是一種用聲學(xué)方法測(cè)量三維風(fēng)、溫脈動(dòng)的儀器，其精度高、響應(yīng)快、量程寬、輸出線性，是 一種絕對(duì)測(cè)量的儀器，不需標(biāo)定，它的優(yōu)良特性使其應(yīng)用范圍越來越寬，能夠在各種天氣 條件下進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)，并且與其他儀器組合后可測(cè)量動(dòng)量、熱量、水汽和二氧化通量等。 對(duì)推動(dòng)測(cè)風(fēng)和湍流通量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展起了極為重要的作用。發(fā)明內(nèi)容[0007]本實(shí)用新型提供了一種超聲風(fēng)速溫度儀，以實(shí)現(xiàn)用聲學(xué)方法測(cè)量三維風(fēng)速和溫度 脈動(dòng)的目的。[0008]為達(dá)到上述的目的本實(shí)用新型的技術(shù)方案是[0009]一種超聲風(fēng)速溫度儀，包括[0010]一三維全向非正交聲陣，用以測(cè)量超聲波沿設(shè)置在其上的三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信 號(hào)相向傳播的時(shí)間差傳送給該主機(jī)板；[0011]一主機(jī)板，用以按時(shí)序信號(hào)規(guī)程約定，依次完成三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信號(hào)的發(fā) 射、接收、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字化的六個(gè)沿聲程傳播的時(shí)間后經(jīng)數(shù)字通訊接口上 傳到PC主控機(jī)；[0012]一 PC主控機(jī)，用以向主機(jī)板發(fā)送各種指令，接收主機(jī)板發(fā)來的數(shù)據(jù),計(jì)算三維風(fēng) 速和溫度的脈動(dòng)值，并完成顯示和存儲(chǔ)；[0013]所述的三維全向非正交聲陣和該主機(jī)板通過電纜和信號(hào)線路電性連接；所述的主 機(jī)板和PC主控機(jī)通過數(shù)字通訊接口和信號(hào)線路電性連接。[0014]該三維全向非正交聲陣包括第一雙向傳感器，第二雙向傳感器，第三雙向傳感 器，第四雙向傳感器，第五雙向傳感器，第六雙向傳感器，上柱狀梯形平臺(tái)，下柱狀梯形平 臺(tái)，至少三個(gè)上支架，至少三個(gè)下支架，支桿和底座；[0015]所述的底座為階梯狀的法蘭結(jié)構(gòu)，所述的支桿為柱狀結(jié)構(gòu)，一端與該底座固定連 接，另一端固定連接該下柱狀梯形平臺(tái)；[0016]所述的下柱狀梯形平臺(tái)整體呈由一傘狀部分和一柱狀部分一體成型的蘑菇形狀 結(jié)構(gòu)；該柱狀部分插入該支桿的一端并與其成固定連接狀；沿該柱狀部分外側(cè)互成120度 緊固設(shè)置有三個(gè)下支架；該傘狀部分表面同圓周依次按順序均勻設(shè)置該第二雙向傳感器， 第四雙向傳感器和第六雙向傳感器；該第二雙向傳感器，第四雙向傳感器和第六雙向傳感 器分別與水平面夾角成45度且互成120度設(shè)置；[0017]所述的上柱狀梯形平臺(tái)整體呈由一傘狀部分和一柱狀部分一體成型的蘑菇形狀 結(jié)構(gòu)；沿該柱狀部分外側(cè)互成120度緊固設(shè)置有三個(gè)上支架；該傘狀部分表面同圓周依次 按順序均勻設(shè)置該第一雙向傳感器，第三雙向傳感器和第五雙向傳感器；該第一雙向傳感 器，第三雙向傳感器和第五雙向傳感器分別與水平面夾角為45度且互成120度設(shè)置；[0018]所述的上支架為L(zhǎng)形柱或管結(jié)構(gòu)，L形一端與所述上柱狀梯形平臺(tái)的柱狀部分外 側(cè)緊固連接，另一端與所述的下支架緊固連接；所述的下支架為L(zhǎng)形柱或管結(jié)構(gòu)，L形一端 與所述下柱狀梯形平臺(tái)的柱狀部分外側(cè)緊固連接，另一端與所述的上支架緊固連接；[0019]所述的上柱狀梯形平臺(tái)和下柱狀梯形平臺(tái)成傘狀部分相向或相對(duì)設(shè)置的位置結(jié) 構(gòu)。[0020]該第一雙向傳感器，第三雙向傳感器和第五雙向傳感器端頭形成的圓周位置點(diǎn)與 該第二雙向傳感器，第四雙向傳感器和第六雙向傳感器端頭形成的圓周位置點(diǎn)相差60度；[0021]該第一雙向傳感器和第二雙向傳感器端頭間距離形成第一聲程，該第三雙向傳感 器和第四雙向傳感器端頭間距離形成第二聲程，該第五雙向傳感器和第六雙向傳感器端頭 間距離形成第三聲程；[0022]該第一聲程等于該第二聲程等于該第三聲程。[0023]該第一聲程等于15厘米，該第二聲程等于15厘米，該第三聲程等于15厘米；該第 一聲程、該第二聲程和該第三聲程兩兩聲程之間的夾角為120度。[0024]該主機(jī)板由接收電路、發(fā)射電路、模擬信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序電路及光 電隔離和數(shù)字通訊接口組成；該接收電路的輸入端連接隔離電路輸出端，輸出端連接模擬 信號(hào)處理電路的輸入端；該模擬信號(hào)處理電路的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端；該八/1) 轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接光電隔離和數(shù)字通訊接口輸入端；該光電隔離和數(shù)字通訊接口輸出 端連接時(shí)序電路的輸入端；該時(shí)序電路的輸出端分別連接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端和發(fā)射電 路的輸入端；該發(fā)射電路的輸出端連接隔離電路的輸入端；[0025]形成時(shí)序電路接收專用嵌入式系統(tǒng)GPS秒信號(hào)做為時(shí)間基準(zhǔn)，并給出時(shí)間上精確 相關(guān)的時(shí)序信號(hào)，按時(shí)序信號(hào)規(guī)程約定，依次完成三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信號(hào)的發(fā)射、接收、 處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字化的六個(gè)沿聲程傳播的時(shí)間，經(jīng)數(shù)字通訊接口上傳到PC主 控機(jī)的結(jié)構(gòu)。[0026]該光電隔離和數(shù)字通訊接口與PC主控機(jī)電性連接。[0027]該光電隔離和數(shù)字通訊接口由單片機(jī)，光電隔離芯片，數(shù)字通訊芯片，接線端子及常用元件組成；[0028]該單片機(jī)的接收端或第10引腳連接到光電隔離芯片第6引腳，光電隔離芯片的第 3引腳連接數(shù)字通訊芯片的接收端或第2引腳；[0029]該單片機(jī)的發(fā)送端或第11引腳連接到光電隔離芯片第3引腳，光電耦合芯片的第 6引腳連接數(shù)字通訊芯片的發(fā)送端或第5引腳；數(shù)字通訊芯片的引腳12、11、10、9分別連接接線端子的1、2、4、6引腳。[0030]該單片機(jī)為89S 52單片機(jī)；該光電隔離芯片為6N137光電隔離器，該數(shù)字通訊芯片為MAX491EH)數(shù)字通訊芯片；該接線端子為JPl或光電耦合型接線端子。[0031]采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案由于三維非正交聲陣(或稱三維全向非正交聲陣)的特定結(jié)構(gòu)，組裝后的傳感器支架有良好的空氣動(dòng)力學(xué)特征，既能抗強(qiáng)風(fēng)又不破壞風(fēng)場(chǎng)的自然狀態(tài)，且具備良好的聲阻斷能力；其采集到的數(shù)據(jù)可適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，包括極端氣象條件的需求，通過主機(jī)板的模式轉(zhuǎn)換和PC主控機(jī)的數(shù)據(jù)處理，能夠在各種天氣條件下進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)和測(cè)量。


[0032]圖1為本實(shí)用新型三維全向非正交聲陣外觀結(jié)構(gòu)圖；[0033]圖2為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)圖；[0034]圖3為本實(shí)用新型主機(jī)板邏輯框圖；[0035]圖4為圖3主機(jī)板發(fā)射接收時(shí)序圖；[0036]圖5為本實(shí)用新型PC主控機(jī)結(jié)構(gòu)框圖；[0037]圖6為本實(shí)用新型光電隔離和數(shù)字通訊電路圖。[0038]圖中標(biāo)號(hào)說明[0039]11、第一雙向傳感器[0040]12、第二雙向傳感器[0041]21、第三雙向傳 感器[0042]22、第四雙向傳感器[0043]31、第五雙向傳感器[0044]32、第六雙向傳感器[0045]40、上柱狀梯形平臺(tái)[0046]41、下柱狀梯形平臺(tái)[0047]50、上支架[0048]51、下支架[0049]52、支桿[0050]53、底座。
具體實(shí)施方式
[0051]
以下結(jié)合附圖和較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案詳細(xì)說明如下，以利于全面的了解。[0052]如圖1，圖2所示，一種超聲風(fēng)速溫度儀，包括[0053]一三維全向非正交聲陣，用以測(cè)量超聲波沿設(shè)置在其上的三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信 號(hào)相向傳播的時(shí)間差傳送給該主機(jī)板；[0054]—主機(jī)板,用以按時(shí)序信號(hào)規(guī)程約定，依次完成三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信號(hào)的發(fā) 射、接收、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字化的六個(gè)沿聲程傳播的時(shí)間后經(jīng)數(shù)字通訊接口上 傳到PC主控機(jī)；[0055]一 PC主控機(jī)，用以向主機(jī)板發(fā)送各種指令，接收主機(jī)板發(fā)來的數(shù)據(jù),計(jì)算三維風(fēng) 速和溫度的脈動(dòng)值，并完成顯示和存儲(chǔ)；[0056]如圖2，所述的三維全向非正交聲陣和該主機(jī)板通過電纜和信號(hào)線路電性連接； 所述的主機(jī)板和PC主控機(jī)通過數(shù)字通訊接口和信號(hào)線路電性連接。[0057]如圖1所示，該三維全向非正交聲陣包括第一雙向傳感器11，第二雙向傳感器 12，第三雙向傳感器21，第四雙向傳感器22，第五雙向傳感器31，第六雙向傳感器32，上柱 狀梯形平臺(tái)40，下柱狀梯形平臺(tái)41，至少三個(gè)上支架50，至少三個(gè)下支架51，支桿52和底 座53 ；[0058]所述的底座53為階梯狀的法蘭結(jié)構(gòu)，或者為雙法蘭或安裝法蘭結(jié)構(gòu)，所述的支桿 52為柱狀結(jié)構(gòu)，一端與該底座53固定連接，例如插接或焊接固定連接，另一端固定連接(可 以插接、焊接或鉚接等的方式固定連接)該下柱狀梯形平臺(tái)41的柱狀部分；[0059]所述的下柱狀梯形平臺(tái)41整體呈由一傘狀部分和一柱狀部分一體成型(或稱一 次加工成型)的蘑菇形狀結(jié)構(gòu)；該柱狀部分插入該支桿52的一端并與其成固定連接狀；沿 該柱狀部分外側(cè)(外圓表面)互成120度緊固設(shè)置有三個(gè)下支架51 ;該傘狀部分表面同圓周 依次按順序均勻設(shè)置該第二雙向傳感器12，第四雙向傳感器22和第六雙向傳感器32 ;該第 二雙向傳感器12，第四雙向傳感器22和第六雙向傳感器32分別與水平面夾角成45度且互 成120度設(shè)置；[0060]所述的上柱狀梯形平臺(tái)40整體呈由一傘狀部分和一柱狀部分一體成型(或稱一 次加工成型)的蘑菇形狀結(jié)構(gòu)；沿該柱狀部分外側(cè)互成120度緊固設(shè)置有三個(gè)上支架50 ;該 傘狀部分表面同圓周依次按順序均勻設(shè)置該第一雙向傳感器11，第三雙向傳感器21和第 五雙向傳感器31 ;該第一雙向傳感器11，第三雙向傳感器21和第五雙向傳感器31分別與 水平面夾角為45度且互成120度設(shè)置；[0061]所述的上支架50為L(zhǎng)形柱或管結(jié)構(gòu)，L形一端(例如短端)與所述上柱狀梯形平臺(tái) 40的柱狀部分外側(cè)緊固連接(例如插接或焊接)，另一端與所述的下支架51緊固連接；所述 的下支架51為L(zhǎng)形柱或管結(jié)構(gòu)，L形一端與所述下柱狀梯形平臺(tái)41的柱狀部分外側(cè)緊固 連接(例如插接或焊接)，另一端(例如短端)與所述的上支架50緊固連接；[0062]所述的上柱狀梯形平臺(tái)40和下柱狀梯形平臺(tái)41成傘狀部分相向或相對(duì)設(shè)置的位 置結(jié)構(gòu)。[0063]該第一雙向傳感器11，第三雙向傳感器21和第五雙向傳感器31端頭形成的圓周 位置點(diǎn)與該第二雙向傳感器12，第四雙向傳感器22和第六雙向傳感器32端頭形成的圓周 位置點(diǎn)相差60度；[0064]該第一雙向傳感器11和第二雙向傳感器12端頭間距離形成第一聲程，該第三雙向傳感器21和第四雙向傳感器22端頭間距離形成第二聲程，該第五雙向傳感器31和第六 雙向傳感器32端頭間距離形成第三聲程；[0065]該第一聲程等于該第二聲程等于該第三聲程。該第一聲程等于15厘米，該第二聲 程等于15厘米，該第三聲程等于15厘米；該第一聲程、該第二聲程和該第三聲程兩兩聲程 之間的夾角為120度。[0066]該主機(jī)板由接收電路、發(fā)射電路、模擬信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序電路及光 電隔離和數(shù)字通訊接口組成；該接收電路的輸入端連接隔離電路輸出端，輸出端連接模擬 信號(hào)處理電路的輸入端；該模擬信號(hào)處理電路的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端；該八/1) 轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接光電隔離和數(shù)字通訊接口輸入端；該光電隔離和數(shù)字通訊接口輸出 端連接時(shí)序電路的輸入端；該時(shí)序電路的輸出端分別連接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端和發(fā)射電 路的輸入端；該發(fā)射電路的輸出端連接隔離電路的輸入端；[0067]形成時(shí)序電路接收專用嵌入式系統(tǒng)GPS秒信號(hào)做為時(shí)間基準(zhǔn)，并給出時(shí)間上精確 相關(guān)的時(shí)序信號(hào)，按時(shí)序信號(hào)規(guī)程約定，依次完成三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信號(hào)的發(fā)射、接收、 處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字化的六個(gè)沿聲程傳播的時(shí)間，經(jīng)數(shù)字通訊接口上傳到PC主 控機(jī)的結(jié)構(gòu)。[0068]該光電隔離和數(shù)字通訊接口與PC主控機(jī)電性連接。[0069]該光電隔離和數(shù)字通訊接口由單片機(jī)(例如89S 52單片機(jī))，光電隔離芯片(例如 6N137光電隔離器)，數(shù)字通訊芯片(例如MAX491EH)數(shù)字通訊芯片)，接線端子(例如JPl接 線端子或光電耦合型接線端子)及常用元件組成；[0070]該單片機(jī)的接收端或第10引腳連接到光電隔離芯片第6引腳，光電隔離芯片的第 3引腳連接數(shù)字通訊芯片的接收端或第2引腳；[0071]該單片機(jī)的發(fā)送端或第11引腳連接到光電隔離芯片第3引腳，光電耦合芯片的第 6引腳連接數(shù)字通訊芯片的發(fā)送端或第5引腳；數(shù)字通訊芯片的引腳12、11、10、9分別連接 接線端子的1、2、4、6引腳。[0072]采用由如上所述的三維全向非正交聲陣，主機(jī)板和PC主控機(jī)三部分組成的結(jié)構(gòu)， 具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果。[0073]一，三維全向非正交聲陣[0074]超聲專用三維全向非正交聲陣(見圖1，三維全向非正交聲陣外觀圖)由傳感器支 架和六個(gè)雙向傳感器(見圖1中的11，12，21，22，31，32)組成。傳感器支架包括兩個(gè)柱狀梯 型平臺(tái)(見附圖1中40，41)、支撐平臺(tái)的三個(gè)上支架(見附圖1中50)、三個(gè)下支架(見附圖1中51)、支桿(見附圖1中52)和底座(見附圖1中53)組成；三個(gè)雙向傳感器與上柱狀梯 型平臺(tái)相連，三個(gè)雙向傳感器與下柱狀梯型平臺(tái)相連，上下傳感器兩兩相對(duì)，組成三個(gè)最佳 距離為15cm的聲程，傳感器與水平面的夾角為45度，聲程之間的夾角為120度。超聲波沿 聲程相向傳播的時(shí)間差與沿聲程的傳播的風(fēng)速成正比，測(cè)量超聲波沿聲程相向傳播的時(shí)間 差，就能算出風(fēng)速，測(cè)量超聲波沿三個(gè)聲程傳播的時(shí)間差，就能得到三維風(fēng)速值。[0075]二，主機(jī)板[0076]主機(jī)板由接收、發(fā)射電路、模擬信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序電路和數(shù)字通訊 接口組成(見附圖3)。時(shí)序電路接收專用嵌入式系統(tǒng)GPS秒信號(hào)做為時(shí)間基準(zhǔn)，并給出時(shí) 間上精確相關(guān)的時(shí)序信號(hào)，按時(shí)序信號(hào)規(guī)程約定，依次完成三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信號(hào)的發(fā)射、接收、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字化的六個(gè)沿聲程傳播的時(shí)間，經(jīng)數(shù)字通訊接口上傳到PC主控機(jī)，完成三維風(fēng)速的計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)。[0077]三，PC主控機(jī)[0078]PC主控機(jī)向主機(jī)發(fā)送各種指令、接收主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)、計(jì)算三維風(fēng)速和溫度的脈動(dòng)值，并完成顯示和存儲(chǔ)。[0079]綜上所述，本實(shí)用新型的超聲風(fēng)速溫度儀由三大部分組成，S卩三維非正交聲陣、 主機(jī)板和PC主控機(jī)，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。[0080]其一，超聲三維非正交聲陣(或稱三維全向非正交聲陣)[0081]超聲三維全向非正交聲陣如附圖1所示，其由傳感器支架和六個(gè)雙向傳感器組成，它的設(shè)計(jì)加工和組裝要嚴(yán)格滿足分布在上下兩個(gè)柱狀梯型平臺(tái)的六個(gè)傳感器，兩兩相對(duì)(要保持同心)，組成三個(gè)最佳距離為15cm (以傳感器端面的距離為準(zhǔn))的聲程，傳感器與水平面的夾角為45度，聲程之間的夾角為120度，組裝后的傳感器支架有良好的空氣動(dòng)力學(xué)特征，既能抗強(qiáng)風(fēng)又不破壞風(fēng)場(chǎng)的自然狀態(tài)，且具備良好的聲阻斷能力。[0082]其二，主機(jī)板，邏輯框圖如圖3所示，其工作過程如下[0083]I)經(jīng)數(shù)字通訊接口和光電隔離電路(或稱光電隔離和數(shù)字通訊接口，見圖6 )，時(shí)序電路接收專用嵌入式系統(tǒng)發(fā)來的GPS秒時(shí)間基準(zhǔn)(見圖3標(biāo)注2)，并產(chǎn)生與GPS秒時(shí)間基準(zhǔn)精確相關(guān)的時(shí)序/[目號(hào)(見圖3標(biāo)注3)；[0084]2)按時(shí)序信號(hào)規(guī)程(見圖4發(fā)射接收時(shí)序圖)約定，發(fā)射脈沖Fl首先激發(fā)第一雙向傳感器11 (見圖3標(biāo)注4)，激發(fā)產(chǎn)生的超聲波經(jīng)第一聲程(由第一雙向傳感器11和第二雙向傳感器12組成)，由第一雙向傳感器11傳至第二雙向傳感器12，超聲波使第二雙向傳感器12產(chǎn)生電信號(hào)(見圖3標(biāo)注5)傳至接收電路，然后輸出至摸擬信號(hào)處理電路(見圖3標(biāo)注6)，經(jīng)處理，得到信號(hào)的過零點(diǎn)脈沖(見圖3標(biāo)注7)，A/D轉(zhuǎn)換電路以過零點(diǎn)脈沖與發(fā)射脈沖(見圖3標(biāo)注8)為輸入信號(hào)，經(jīng)處理得到超聲波沿第一聲程(由第一雙向傳感器11和第二雙向傳感器12組成)超聲波傳播的時(shí)間tl，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字(見圖3標(biāo)注9)，經(jīng)數(shù)字通訊接口(見圖3標(biāo)注10)送至PC主控機(jī)。同樣，PC主控機(jī)也可以得到超聲波沿第一聲程(自第二雙向傳感器12傳至第一雙向傳感器11)超聲傳播的時(shí)間t’ I ；[0085]3)重復(fù)2)中的過程即可得到超聲波沿第二聲程(由第三雙向傳感器21和第四雙向傳感器22組成)傳播的兩個(gè)時(shí)間，即t2，t’ 2，超聲波沿第三聲程(由第五雙向傳感器31 和第六雙向傳感器32組成)傳播的兩個(gè)時(shí)間，即t3，t’ 3 ;信號(hào)時(shí)序圖如圖4所示；[0086]4)以三個(gè)聲程的六個(gè)時(shí)間數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為本，專用嵌入式系統(tǒng)可計(jì)算出笛卡爾座標(biāo)系下的三維風(fēng)速值。[0087]其三，PC主控機(jī)[0088]PC主控機(jī)方框圖如圖5所示，PC機(jī)串行通訊口經(jīng)光電隔離電路和數(shù)字通訊接口 (或稱光電隔離和數(shù)字通訊接口 ；光電隔離和數(shù)字通訊接口電路圖，見圖6)與主機(jī)互連，其主要功能為[0089]1，向主機(jī)發(fā)送檢測(cè)`指令、初始化指令、采樣指令和令牌指令；[0090]2，接收主機(jī)上傳數(shù)據(jù)，計(jì)算三維風(fēng)速和溫度脈動(dòng)值；[0091]3,完成三維風(fēng)速和溫度脈動(dòng)值的顯示和記錄。
權(quán)利要求1.一種超聲風(fēng)速溫度儀，其特征在于包括一三維全向非正交聲陣，用以測(cè)量超聲波沿設(shè)置在其上的三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信號(hào)相向傳播的時(shí)間差傳送給該主機(jī)板；一主機(jī)板，用以按時(shí)序信號(hào)規(guī)程約定，依次完成三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信號(hào)的發(fā)射、接收、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字化的六個(gè)沿聲程傳播的時(shí)間后經(jīng)數(shù)字通訊接口上傳到 PC主控機(jī)；一 PC主控機(jī)，用以向主機(jī)板發(fā)送各種指令，接收主機(jī)板發(fā)來的數(shù)據(jù)，計(jì)算三維風(fēng)速和溫度的脈動(dòng)值，并完成顯示和存儲(chǔ)；所述的三維全向非正交聲陣和該主機(jī)板通過電纜和信號(hào)線路電性連接；所述的主機(jī)板和PC主控機(jī)通過數(shù)字通訊接口和信號(hào)線路電性連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲風(fēng)速溫度儀，其特征在于該三維全向非正交聲陣包括第一雙向傳感器(11)，第二雙向傳感器(12)，第三雙向傳感器(21)，第四雙向傳感器(22)，第五雙向傳感器(31)，第六雙向傳感器(32)，上柱狀梯形平臺(tái)(40)，下柱狀梯形平臺(tái)(41)，至少三個(gè)上支架(50)，至少三個(gè)下支架(51)，支桿(52)和底座(53)；所述的底座(53)為階梯狀的法蘭結(jié)構(gòu)，所述的支桿(52)為柱狀結(jié)構(gòu)，一端與該底座 (53)固定連接，另一端固定連接該下柱狀梯形平臺(tái)(41)；所述的下柱狀梯形平臺(tái)(41)整體呈由一傘狀部分和一柱狀部分一體成型的蘑菇形狀結(jié)構(gòu)；該柱狀部分插入該支桿(52)的一端并與其成固定連接狀；沿該柱狀部分外側(cè)互成 120度緊固設(shè)置有三個(gè)下支架(51);該傘狀部分表面同圓周依次按順序均勻設(shè)置該第二雙向傳感器(12)，第四雙向傳感器(22)和第六雙向傳感器(32);該第二雙向傳感器(12)，第四雙向傳感器(22)和第六雙向傳感器(32)分別與水平面夾角成45度且互成120度設(shè)置；所述的上柱狀梯形平臺(tái)(40)整體呈由一傘狀部分和一柱狀部分一體成型的蘑菇形狀結(jié)構(gòu)；沿該柱狀部分外側(cè)互成120度緊固設(shè)置有三個(gè)上支架(50);該傘狀部分表面同圓周依次按順序均勻設(shè)置該第一雙向傳感器(11)，第三雙向傳感器(21)和第五雙向傳感器 (31);該第一雙向傳感器(11)，第三雙向傳感器(21)和第五雙向傳感器(31)分別與水平面夾角為45度且互成120度設(shè)置；所述的上支架(50)為L(zhǎng)形柱或管結(jié)構(gòu)，L形一端與所述上柱狀梯形平臺(tái)(40)的柱狀部分外側(cè)緊固連接，另一端與所述的下支架(51)緊固連接；所述的下支架(51)為L(zhǎng)形柱或管結(jié)構(gòu)，L形一端與所述下柱狀梯形平臺(tái)(41)的柱狀部分外側(cè)緊固連接，另一端與所述的上支架(50)緊固連接；所述的上柱狀梯形平臺(tái)(40)和下柱狀梯形平臺(tái)(41)成傘狀部分相向或相對(duì)設(shè)置的位置結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的超聲風(fēng)速溫度儀，其特征在于該第一雙向傳感器(11)，第三雙向傳感器(21)和第五雙向傳感器(31)端頭形成的圓周位置點(diǎn)與該第二雙向傳感器(12)， 第四雙向傳感器(22)和第六雙向傳感器(32)端頭形成的圓周位置點(diǎn)相差60度；該第一雙向傳感器(11)和第二雙向傳感器(12)端頭間距離形成第一聲程，該第三雙向傳感器(21)和第四雙向傳感器(22)端頭間距離形成第二聲程，該第五雙向傳感器(31) 和第六雙向傳感器(32)端頭間距離形成第三聲程；該第一聲程等于該第二聲程等于該第三聲程。
4.如權(quán)利要求3所述的超聲風(fēng)速溫度儀，其特征在于該第一聲程等于15厘米，該第二聲程等于15厘米，該第三聲程等于15厘米；該第一聲程、該第二聲程和該第三聲程兩兩聲程之間的夾角為120度。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲風(fēng)速溫度儀，其特征在于該主機(jī)板由接收電路、發(fā)射電路、 模擬信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序電路及光電隔離和數(shù)字通訊接口組成；該接收電路的輸入端連接隔離電路輸出端，輸出端連接模擬信號(hào)處理電路的輸入端；該模擬信號(hào)處理電路的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端；該A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接光電隔離和數(shù)字通訊接口輸入端；該光電隔離和數(shù)字通訊接口輸出端連接時(shí)序電路的輸入端；該時(shí)序電路的輸出端分別連接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端和發(fā)射電路的輸入端；該發(fā)射電路的輸出端連接隔離電路的輸入端；形成時(shí)序電路接收專用嵌入式系統(tǒng)GPS秒信號(hào)做為時(shí)間基準(zhǔn)，并給出時(shí)間上精確相關(guān)的時(shí)序信號(hào)，按時(shí)序信號(hào)規(guī)程約定，依次完成三個(gè)聲程上六個(gè)超聲信號(hào)的發(fā)射、接收、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到數(shù)字化的六個(gè)沿聲程傳播的時(shí)間，經(jīng)數(shù)字通訊接口上傳到PC主控機(jī)的結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的超聲風(fēng)速溫度儀，其特征在于該光電隔離和數(shù)字通訊接口與PC 主控機(jī)電性連接。
7.如權(quán)利要求5或6所述的超聲風(fēng)速溫度儀，其特征在于該光電隔離和數(shù)字通訊接口由單片機(jī)，光電隔離芯片，數(shù)字通訊芯片，接線端子及常用元件組成；該單片機(jī)的接收端或第10引腳連接到光電隔離芯片第6引腳，光電隔離芯片的第3引腳連接數(shù)字通訊芯片的接收端或第2引腳；該單片機(jī)的發(fā)送端或第11引腳連接到光電隔離芯片第3引腳，光電耦合芯片的第6引腳連接數(shù)字通訊芯片的發(fā)送端或第5引腳；數(shù)字通訊芯片的引腳12、11、10、9分別連接接線端子的1、2、4、6引腳。
8.如權(quán)利要求7所述的超聲風(fēng)速溫度儀，其特征在于該單片機(jī)為89S52單片機(jī)；該光電隔離芯片為6N137光電隔離器，該數(shù)字通訊芯片為MAX491EH)數(shù)字通訊芯片；該接線端子為JPl或光電耦合型接線端子。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種超聲風(fēng)速溫度儀，屬于利用聲學(xué)方法測(cè)量三維風(fēng)速、溫度脈動(dòng)的機(jī)械、電子儀器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域。包括在其上設(shè)置六個(gè)雙向傳感器的三維全向非正交聲陣和主機(jī)板及PC主控機(jī)，三者通過電纜，數(shù)字通訊接口和信號(hào)線路電性連接。采用這樣的技術(shù)方案可適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，包括極端氣象條件下數(shù)據(jù)采集的需求，并通過主機(jī)板的模式轉(zhuǎn)換和PC主控機(jī)的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)和測(cè)量。
文檔編號(hào)G01P5/24GK202886401SQ201220624018
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者趙翼俊, 羅衛(wèi)東 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大氣物理研究所