二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正裝置及方法，該方法根據(jù)二維超聲波風(fēng)速儀對當(dāng)前矢量風(fēng)向的測量結(jié)果，兩次轉(zhuǎn)動超聲波風(fēng)速儀的測量通道矢量方向，并兩次測量超聲波風(fēng)速儀二維測量通道內(nèi)的風(fēng)速值，最終通過判定算法在線校正二維超聲波風(fēng)速儀的零點(diǎn)值，可顯著消除零點(diǎn)漂移現(xiàn)象對二維超聲波風(fēng)速儀測量精度的影響。本發(fā)明所述的二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正方法，使用簡單，經(jīng)濟(jì)成本低，零點(diǎn)校正準(zhǔn)確率高，可廣泛應(yīng)用于不同產(chǎn)品檔次的二維超聲波風(fēng)速儀內(nèi)。
【專利說明】二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)速風(fēng)向測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)速和風(fēng)向是氣象學(xué)中的重要參數(shù)，對航海、氣象、軍事等領(lǐng)域有重要的作用。超聲波風(fēng)速儀作為一種新型的風(fēng)速測量儀器，利用超聲波脈沖在發(fā)射換能器和接收換能器之間的傳播時(shí)間或頻率受風(fēng)速影響的原理，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速和風(fēng)向的測量。超聲波風(fēng)速儀可分為二維超聲波風(fēng)速儀和三維超聲波風(fēng)速儀兩種。由于二維超聲波風(fēng)速儀不僅擁有測量精度高、測量范圍寬等優(yōu)勢，同時(shí)還具有使用簡便、價(jià)格相對低廉等特點(diǎn)，因此，二維超聲波風(fēng)速儀在近年來越來越受到廣泛的采用。
[0003]二維超聲波風(fēng)速儀在使用過程中，由于受溫度、濕度等使用條件的變化，或者受雨霧、塵埃等天氣因素的影響，以及受換能器結(jié)垢或磨損等因素的影響，其對風(fēng)速測量的零點(diǎn)值往往會產(chǎn)生漂移。所謂的二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)值，是指在周圍環(huán)境風(fēng)速為零時(shí)，二維超聲波風(fēng)速儀所測量得到的風(fēng)速值。二維超聲波風(fēng)速儀的零點(diǎn)值是由于發(fā)射換能器和接收換能器的參數(shù)不對稱原因而存在的，在實(shí)際使用過程中，應(yīng)將測量得到的風(fēng)速值，減去零點(diǎn)值，才能得到真正的當(dāng)前風(fēng)速值。當(dāng)二維超聲波風(fēng)速儀的零點(diǎn)值因產(chǎn)生漂移(即零點(diǎn)的數(shù)值發(fā)生變化)時(shí)，測量得到的風(fēng)速值減去原有的零點(diǎn)值，所得到的將不再是真實(shí)的當(dāng)前風(fēng)速值。超聲波風(fēng)速儀的零點(diǎn)漂移，將嚴(yán)重地影響二維超聲波風(fēng)速儀的測量精度，尤其是對小風(fēng)速測量時(shí)，零點(diǎn)漂移的影響尤為嚴(yán)重，甚至將徹底導(dǎo)致二維超聲波風(fēng)速儀無法正常工作。
[0004]為避免二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)漂移的影響，可以采用對溫度、濕度、塵垢等影響因素不敏感的零點(diǎn)高度穩(wěn)定的高性能換能器，使得二維超聲波風(fēng)速儀在不同環(huán)境下都能實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)的穩(wěn)定。但是，高性能換能器的價(jià)格高昂，將大幅度提高二維超聲波風(fēng)速儀的生產(chǎn)成本。
[0005]為避免二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)漂移的影響，也可以采用對二維超聲波風(fēng)速儀重新標(biāo)定的方法。重新標(biāo)定一般都要求將二維超聲波風(fēng)速儀從工作場合拆卸下來，并將二維超聲波風(fēng)速儀放置于周圍環(huán)境的空氣絕對靜止的場合內(nèi)，重新測量二維超聲波風(fēng)速儀的零點(diǎn)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二維超聲波風(fēng)速儀的零點(diǎn)校準(zhǔn)。這種零點(diǎn)校準(zhǔn)方法的缺點(diǎn)十分明顯:首先這種零點(diǎn)校準(zhǔn)方法需要將二維超聲波風(fēng)速儀從工作場合拆卸下來，將影響到超聲波風(fēng)速儀的的正常工作；其次這種零點(diǎn)校準(zhǔn)方法需要在周圍環(huán)境的空氣絕對靜止的特殊測試場合下，才能完成校準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正的裝置；
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供一種利用該裝置進(jìn)行二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正的方法，根據(jù)二維超聲波風(fēng)速儀對當(dāng)前矢量風(fēng)向的測量結(jié)果，兩次轉(zhuǎn)動超聲波風(fēng)速儀的測量通道矢量方向，并兩次測量超聲波風(fēng)速儀二維測量通道內(nèi)的風(fēng)速值，最終通過判定算法在線校正二維超聲波風(fēng)速儀的零點(diǎn)值，該方法可顯著消除零點(diǎn)漂移現(xiàn)象對二維超聲波風(fēng)速儀測量精度的影響。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0009]一種二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正的裝置，其特征在于，包括兩根長度相等且互相垂直的第一剛性支架(1C)和第二剛性支架(2C)，所述第一剛性支架(1C)和第二剛性支架(2C)在中點(diǎn)用焊接或鉸接方式固定連接構(gòu)成一個剛性平面；還包括步進(jìn)電機(jī)(3)，所述步進(jìn)電機(jī)(3)的轉(zhuǎn)軸垂直連接于第一剛性支架(IC)和第二剛性支架(2C)的中點(diǎn)連接處；所述第一剛性支架(IC)兩端安裝有第一發(fā)射換能器(IA)和第一接收換能器(1B)，所述第二剛性支架(2C)兩端安裝有第二發(fā)射換能器(2A)和第二接收換能器(2B)。
[0010]作為補(bǔ)充優(yōu)化，還包括用于連接控制步進(jìn)電機(jī)(3)、第一發(fā)射換能器(1A)、第一接收換能器(1B)、第二發(fā)射換能器(2A)和第二接收換能器(2B)工作的控制器(4)，所述控制器(4)包括數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。
[0011]一種利用如上所述裝置進(jìn)行二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0012]步驟一，設(shè)定第一發(fā)射換能器(1A)、第一剛性支架(1C)和第一接收換能器(1B)為第一維測量通道，設(shè)定第二發(fā)射換能器(2A)、第二剛性支架(2C)和第二接收換能器(2B)為第二維測量通道；分別測量并得到第一維測量通道和第二維測量通道內(nèi)的風(fēng)速值Vtll與VQ2，并將Vtll與Vtl2通過矢量相加的方式，計(jì)算得到當(dāng)前周圍環(huán)境的風(fēng)速值Vtl和風(fēng)向，以及當(dāng)前風(fēng)向的矢量值；
[0013]步驟二，根據(jù)對當(dāng)前矢量風(fēng)向的測量結(jié)果，通過步進(jìn)電機(jī)第一次轉(zhuǎn)動第一剛性支架(1C)和第二剛性支架(2C)，調(diào)整第一維測量通道和第二維測量通道中的某一維測量通道的矢量方向調(diào)整至與當(dāng)前風(fēng)向的矢量方向相平行，從而第一次分別測量并儲存與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相垂直的測量通道的風(fēng)速值Vn、與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相平行的測量通道內(nèi)的風(fēng)速值V12;通過第二次轉(zhuǎn)動，將與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相垂直的測量通道調(diào)整至矢量方向與當(dāng)前風(fēng)向的矢量方向平行，從而第二次測量并儲存與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相垂直的測量通道的風(fēng)速值V21、與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相平行的測量通道內(nèi)的風(fēng)速值V22 ；通過第三次轉(zhuǎn)動，使得超聲波風(fēng)速儀的第一維測量通道和第二維測量通道回復(fù)到最初的矢量方向；
[0014]步驟三，控制器(4)將風(fēng)速值V12、風(fēng)速值V22分別與當(dāng)前風(fēng)速值Vtl做比較，如果風(fēng)速值V12、風(fēng)速值V22分別與當(dāng)前風(fēng)速值Vtl的差異率均不大于3%，則將風(fēng)速值V11和風(fēng)速值V2I分別作為其對應(yīng)測量通道的零點(diǎn)值，更新并存儲在控制器(4)內(nèi)；否則，重復(fù)步驟一和步驟二，直至風(fēng)速值V12、風(fēng)速值V22分別與當(dāng)前風(fēng)速Vtl的差異率均不大于3%為止。
[0015]發(fā)明優(yōu)點(diǎn):
[0016](I)本發(fā)明所述的零點(diǎn)在線自校正方法，無需將二維超聲波風(fēng)速儀從工作環(huán)境中拆卸下來，并且對二維超聲波風(fēng)速儀的正常工作干擾極低。
[0017](2)本發(fā)明所述的零點(diǎn)在線自校正方法，以判定算法為依據(jù)，可確保所校正的零點(diǎn)的準(zhǔn)確性。
[0018](3)本發(fā)明所述的零點(diǎn)在線自校正方法，使用簡單，使用經(jīng)濟(jì)成本低?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是二維超聲波風(fēng)速儀對當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)向的測量說明圖；
[0021]圖3是本發(fā)明所述在線自校正方法的第一次測量說明圖；
[0022]圖4是本發(fā)明所述在線自校正方法的第二次測量說明圖；
[0023]圖5是本發(fā)明所述在線自校正方法的工作流程圖；
[0024]圖中:1A、第一發(fā)射換能器，1B、第一接收換能器，1C、第一剛性支架，2A、第二發(fā)射換能器，2B、第二接收換能器，2C、第二剛性支架，3、步進(jìn)電機(jī)，4、控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖及一優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
[0026]實(shí)施例:
[0027]如圖1所示:本實(shí)施例所揭示的一種二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正的裝置，包括兩根長度相等且互相垂直的第一剛性支架IC和第二剛性支架2C，所述第一剛性支架IC和第二剛性支架2C在中點(diǎn)用焊接或鉸接方式固定連接構(gòu)成一個剛性平面；還包括步進(jìn)電機(jī)3，所述步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)軸垂直連接于第一剛性支架IC和第二剛性支架2C的中點(diǎn)連接處；所述第一剛性支架IC兩端安裝有第一發(fā)射換能器IA和第一接收換能器1B，所述第二剛性支架2C兩端安裝有第二發(fā)射換能器2A和第二接收換能器2B。
[0028]步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)軸垂直于上述剛性平面，且步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)軸固定在第一剛性支架IC和第二剛性支架2C的中心交接點(diǎn)處。這樣，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)3的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，由第一剛性支架IC和第二剛性支架2C構(gòu)成的剛性平面也將整體轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動的角度值與步進(jìn)電機(jī)3轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角度值相等。
[0029]作為補(bǔ)充優(yōu)化，還包括用于連接控制步進(jìn)電機(jī)3、第一發(fā)射換能器1A、第一接收換能器1B、第二發(fā)射換能器2A和第二接收換能器2B工作的控制器(4)，所述控制器4包括數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。
[0030]一種利用上述裝置二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正方法，包括以下步驟:
[0031]步驟一:如圖2所示，二維超聲波風(fēng)速儀內(nèi)每一維測量通道分別測量并得到各自測量通道內(nèi)的風(fēng)速Vtll與Vtl2,并將Vtll與Vtl2通過矢量相加的方式，計(jì)算得到當(dāng)前周圍環(huán)境的風(fēng)速Vtl和風(fēng)向，以及當(dāng)前風(fēng)向的矢量值，并進(jìn)而計(jì)算得到當(dāng)前風(fēng)向與第一剛性支架1C、第二剛性支架2C之間的的兩個夾角a和b。計(jì)算得到的當(dāng)前風(fēng)速值Vtl、當(dāng)前風(fēng)向矢量值、兩個夾角值a和b均儲存在控制器4內(nèi)。
[0032]步驟二:如圖3所示，根據(jù)二維超聲波風(fēng)速儀對當(dāng)前矢量風(fēng)向的測量結(jié)果，控制器4向步進(jìn)電機(jī)3發(fā)送與夾角a值成正比例的脈沖個數(shù),控制步進(jìn)電機(jī)3轉(zhuǎn)軸第一次轉(zhuǎn)動,并帶動第一剛性支架IC和第二剛性支架2C整體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度值與夾角a值相同。第一次轉(zhuǎn)動完畢之后，風(fēng)速儀第一次測量，得到與當(dāng)前風(fēng)向平行的測量通道內(nèi)的風(fēng)速V12和與當(dāng)前風(fēng)向垂直的測量通道的風(fēng)速Vn。
[0033]如圖4所示，第一次測量完畢之后，控制器4向步進(jìn)電機(jī)3發(fā)送與90度成正比例的脈沖個數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)3轉(zhuǎn)軸第二次轉(zhuǎn)動，并帶動第一剛性支架IC和二剛性支架2C整體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度值為90度。第二次轉(zhuǎn)動完畢之后，風(fēng)速儀第二次測量，得到與當(dāng)前風(fēng)向平行的測量通道內(nèi)的風(fēng)速V22和與當(dāng)前風(fēng)向垂直的測量通道的風(fēng)速V21。第二次測量完畢之后，控制器4向步進(jìn)電機(jī)3發(fā)送與夾角b值成正比例的脈沖個數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)3轉(zhuǎn)軸第三次轉(zhuǎn)動，并帶動第一剛性支架IC和第二剛性支架2C整體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度值與夾角b值相同，使一剛性支架1C、第二剛性支架2C恢復(fù)原位。
[0034]步驟三:如圖5所示，控制器4將風(fēng)速V12、風(fēng)速V22分別與當(dāng)前風(fēng)速Vtl做比較，如果風(fēng)速V12、風(fēng)速V22分別與當(dāng)前風(fēng)速Vtl的差異率均不大于3%，則說明上述第一次測量和第二次測量時(shí)，周圍環(huán)境的當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)向均未發(fā)生明顯變化，此時(shí)，垂直于當(dāng)前風(fēng)向的矢量方向內(nèi)風(fēng)速可以被認(rèn)為是零，因此，該方向的測量通道內(nèi)所測量得到的風(fēng)速值V11和風(fēng)速值V21，就是該測量通道的零點(diǎn)值。如果風(fēng)速V12與當(dāng)前風(fēng)速Vtl的差異率，以及風(fēng)速V22與當(dāng)前風(fēng)速Vtl的差異率之中，有一個或兩個差異率的值超過了 3%，則說明第一次測量或第二次測量時(shí)，周圍環(huán)境的當(dāng)前風(fēng)速和風(fēng)向已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化，此時(shí)，垂直于當(dāng)前風(fēng)向的矢量方向內(nèi)，風(fēng)速不能被認(rèn)為是零，因此此時(shí)也不可以坐零點(diǎn)的校正。此時(shí)需重復(fù)上述步驟一和步驟二，直至風(fēng)速值V12、風(fēng)速值V22分別與當(dāng)前風(fēng)速Vtl的差異率均不大于3%為止，從而確定零點(diǎn)值。
[0035]上述二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)自校正的判定算法，為零點(diǎn)自校正提供了判定依據(jù)，確保了零點(diǎn)校正時(shí)機(jī)選擇的準(zhǔn)確性，以及所校正的二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)值的準(zhǔn)確性。
[0036]需要指出的是，以上所述者僅為用以解釋本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非企圖據(jù)以對本發(fā)明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發(fā)明精神下所作有關(guān)本發(fā)明之任何修飾或變更，皆仍應(yīng)包括在本發(fā)明意圖保護(hù)之范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正的裝置，其特征在于，包括兩根長度相等且互相垂直的第一剛性支架(1C)和第二剛性支架(2C)，所述第一剛性支架(1C)和第二剛性支架(2C)在中點(diǎn)用焊接或鉸接方式固定連接構(gòu)成一個剛性平面；還包括步進(jìn)電機(jī)(3)，所述步進(jìn)電機(jī)(3)的轉(zhuǎn)軸垂直連接于第一剛性支架(IC)和第二剛性支架(2C)的中點(diǎn)連接處；所述第一剛性支架(1C)兩端安裝有第一發(fā)射換能器(1A)和第一接收換能器(1B)，所述第二剛性支架(2C)兩端安裝有第二發(fā)射換能器(2A)和第二接收換能器(2B)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正的裝置，其特征在于，還包括用于連接控制步進(jìn)電機(jī)(3)、第一發(fā)射換能器(1A)、第一接收換能器(1B)、第二發(fā)射換能器(2A)和第二接收換能器(2B)工作的控制器(4)，所述控制器(4)包括數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。
3.一種利用如權(quán)利要求1?2任一項(xiàng)所述裝置進(jìn)行二維超聲波風(fēng)速儀零點(diǎn)在線自校正方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，設(shè)定第一發(fā)射換能器(1A)、第一剛性支架(1C)和第一接收換能器(1B)為第一維測量通道，設(shè)定第二發(fā)射換能器(2A)、第二剛性支架(2C)和第二接收換能器(2B)為第二維測量通道；分別測量并得到第一維測量通道和第二維測量通道內(nèi)的風(fēng)速值Vtll與Vtl2，并將V01與Vtl2通過矢量相加的方式，計(jì)算得到當(dāng)前周圍環(huán)境的風(fēng)速值Vtl和風(fēng)向，以及當(dāng)前風(fēng)向的矢量值； 步驟二，根據(jù)對當(dāng)前矢量風(fēng)向的測量結(jié)果，通過步進(jìn)電機(jī)第一次轉(zhuǎn)動第一剛性支架(IC)和第二剛性支架(2C)，調(diào)整第一維測量通道和第二維測量通道中的某一維測量通道的矢量方向調(diào)整至與當(dāng)前風(fēng)向的矢量方向相平行，從而第一次分別測量并儲存與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相垂直的測量通道的風(fēng)速值Vn、與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相平行的測量通道內(nèi)的風(fēng)速值V12;通過第二次轉(zhuǎn)動，將與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相垂直的測量通道調(diào)整至矢量方向與當(dāng)前風(fēng)向的矢量方向平行，從而第二次測量并儲存與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相垂直的測量通道的風(fēng)速值V21、與當(dāng)前風(fēng)向矢量方向相平行的測量通道內(nèi)的風(fēng)速值V22;通過第三次轉(zhuǎn)動，使得超聲波風(fēng)速儀的第一維測量通道和第二維測量通道回復(fù)到最初的矢量方向； 步驟三，控制器(4)將風(fēng)速值V12、風(fēng)速值V22分別與當(dāng)前風(fēng)速值Vtl做比較，如果風(fēng)速值V12、風(fēng)速值V22分別與當(dāng)前風(fēng)速值Vtl的差異率均不大于3%，則將風(fēng)速值V11和風(fēng)速值V21分別作為其對應(yīng)測量通道的零點(diǎn)值，更新并存儲在控制器(4)內(nèi)；否則，重復(fù)步驟一和步驟二，直至風(fēng)速值V12、風(fēng)速值V22分別與當(dāng)前風(fēng)速Vtl的差異率均不大于3%為止。
【文檔編號】G01P21/02GK103592467SQ201310545839
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】趙小春, 吳飛, 邱香, 徐立中 申請人:蘇州斯威高科信息技術(shù)有限公司