本發(fā)明涉及一種非接觸式超聲波測量三維立體空間風(fēng)向風(fēng)速裝置，尤其是能夠同時以高精度、寬量程測量三維空間風(fēng)向和風(fēng)速瞬時值的超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器，能夠精密測量三維風(fēng)速、風(fēng)向和聲溫?cái)?shù)據(jù)應(yīng)用。

背景技術(shù)：

風(fēng)向風(fēng)速測量是氣象、農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域需要測量的重要參數(shù)之一，目前，測量風(fēng)向風(fēng)速的方式主要是機(jī)械式測量，如風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)，機(jī)械式測量方法存在如下不足：需要的啟動風(fēng)速大、機(jī)械磨損大、瞬時風(fēng)速具有慣性誤差等弊端，導(dǎo)致其對低于啟動風(fēng)速的較小風(fēng)速無法測量、測量數(shù)據(jù)也難以體現(xiàn)出風(fēng)速的變化。

上述缺陷是本領(lǐng)域技術(shù)人員期望克服的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明提供一種超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器，其可以防止渦流對風(fēng)速測量準(zhǔn)確性的影響，具有更高的抗干擾性，并具有更高的分辨率和更低的誤差率。

(二)技術(shù)方案

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案包括：

一種超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器，其包括：

一個傳感器主體；

第一探頭連接桿，第一端連接于傳感器主體，另一端為自由端，延伸至傳感器主體的第一側(cè)；

第一對超聲波探頭，包括第一超聲波探頭和第二超聲波探頭，二者設(shè)于第一探頭連接桿的自由端，并在傳感器主體的第一側(cè)的測量平面上的第一測量方向正對設(shè)置；

第二探頭連接桿，第一端連接于傳感器主體，另一端為自由端，延伸至傳感器主體的第一側(cè)；

第二對超聲波探頭，包括第三超聲波探頭和第四超聲波探頭，二者設(shè)于第二探頭連接桿的自由端，并在傳感器主體的第一側(cè)的所述測量平面上的第二測量方向正對設(shè)置，第二測量方向與第一測量方向具有預(yù)定夾角α；

第三探頭連接桿，第一端連接于傳感器主體，另一端具有兩個分支端，兩個分支端分別延伸至傳感器主體的第一側(cè)和與第一側(cè)相反的第二側(cè)；

以及

第三對超聲波探頭，包括第五超聲波探頭和第六超聲波探頭，二者設(shè)于第三探頭連接桿的第一分支端和第二分支端，并在與所述測量平面呈預(yù)定夾角β的第三測量方向正對設(shè)置。

通過探頭連接桿的設(shè)置，使得超聲波探頭處于一個敞開的空間中，其通風(fēng)性更好，尤其是其減少了對風(fēng)的干擾，得以更好地保留風(fēng)的自然特性，可以防止渦流對風(fēng)速測量準(zhǔn)確性的影響，具有更高的抗干擾性，有助于提高測量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

實(shí)施時，可以先利用第一超聲波探頭接收第二超聲波探頭發(fā)射的超聲波，再利用第二超聲波探頭接收第一超聲波探頭發(fā)射的超聲波，并利用超聲時差法計(jì)算第一測量方向的參數(shù)；第三超聲波探頭接收第四超聲波探頭發(fā)射的超聲波，第四超聲波探頭接收第三超聲波探頭發(fā)射的超聲波，并利用超聲時差法計(jì)算第二測量方向的參數(shù)；第五超聲波探頭接收第六超聲波探頭發(fā)射的超聲波，第六超聲波探頭接收第五超聲波探頭發(fā)射的超聲波，并利用超聲時差法計(jì)算第三測量方向的參數(shù)；結(jié)合第一測量方向、第二測量方向和第三測量方向的參數(shù)得到瞬時三維立體風(fēng)向風(fēng)速。

具體的，三維風(fēng)向風(fēng)速可以按如下方法計(jì)算得到：

設(shè)第一測量方向(例如X或Y或Z)的兩個超聲波探頭間的距離為d，順風(fēng)時二者間的傳輸時間為t₁₂，逆風(fēng)時二者間的傳輸時間為t₂₁，風(fēng)速為Vw，超聲波傳播速度為V_S，可得：

化簡可得風(fēng)速Vw：

化簡可得聲速V_S：

超聲波在空氣中傳播速度C(m/s)與溫度T(℃)的關(guān)系式為:

將根據(jù)固定軸距和測量時間計(jì)算得出的聲速值帶入式(5)，便可計(jì)算出聲溫值。

單軸風(fēng)速矢量計(jì)算完成后，再利用該風(fēng)速通過計(jì)算來合成矢量風(fēng)速和風(fēng)向，平面內(nèi)角度計(jì)算分為四個象限，即0～90°、91～180°、181～270°、271～359°，單軸風(fēng)速定義為：東西軸V_EW、南北軸V_SN，矢量風(fēng)向?yàn)镈；

可按式(6)計(jì)算得到平面矢量風(fēng)速：

可按式(7)-式(10)計(jì)算平面矢量風(fēng)向：

若在0～90°象限內(nèi)：

若在91～180°象限內(nèi)：

若在181～270°象限內(nèi)：

若在271～359°象限內(nèi)：

用平面內(nèi)矢量風(fēng)速和風(fēng)向再加入Z軸的矢量風(fēng)速，即為空間三維的風(fēng)速風(fēng)向的表示。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一超聲波探頭和第二超聲波探頭之間的距離、第三超聲波探頭和第四超聲波探頭之間的距離、第五超聲波探頭和第六超聲波探頭之間的距離三者相等，借以簡化計(jì)算，提高測量精度。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一探頭連接桿為兩個，分別連接于傳感器主體。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第二探頭連接桿為兩個，分別連接于傳感器主體。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一、第二、第三探頭連接桿與傳感器主體的連接處設(shè)置有防水膠圈。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一探頭連接桿整體呈C型。

較佳的，第一探頭連接桿具有依次連接的第一延伸段、第一彎折段、第二延伸段、第二彎折段、第三延伸段、第三彎折段和第四延伸段，第一延伸段連接于傳感器主體，超聲波探頭連接于第四延伸段。

其中，第一彎折段、第二彎折段、第三彎折段的彎折角度之和為180°，較佳的，三個彎折段的彎折角度相同，均為60°。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第二探頭連接桿整體呈C型。

較佳的，第二探頭連接桿具有依次連接的第一延伸段、第一彎折段、第二延伸段、第二彎折段、第三延伸段、第三彎折段和第四延伸段，第一延伸段連接于傳感器主體，超聲波探頭連接于第四延伸段。

其中，第一彎折段、第二彎折段、第三彎折段的彎折角度之和為180°，較佳的，三個彎折段的彎折角度相同，均為60°。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第三探頭連接桿整體呈Y型，其中，第一分支端整體呈C型，第二分支端整體呈C型。

較佳的，第三探頭連接桿具有上下軸支撐桿、上下軸支桿連接節(jié)，上下軸支撐桿一端與傳感器主體連接，另一端與上下軸支桿連接節(jié)連接，第一分支端具有依次連接的第一延伸段、第一彎折段、第二延伸段、第二彎折段、第三延伸段、第三彎折段和第四延伸段，第一延伸段連接于上下軸支桿連接節(jié)的第一端(較佳的，二者的連接處設(shè)置有防水膠圈)，超聲波探頭連接于第四延伸段(第二分支端可以與第一分支端對稱設(shè)置于上下軸支桿連接節(jié)的第二端)。

其中，第一彎折段、第二彎折段、第三彎折段的彎折角度之和為180°，較佳的，三個彎折段的彎折角度相同，均為60°。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，預(yù)定夾角α的角度為90°，借以簡化計(jì)算，提高處理速度，提高監(jiān)測頻率。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，預(yù)定夾角β的角度為90°，借以簡化計(jì)算，提高處理速度，提高監(jiān)測頻率。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，傳感器主體設(shè)有：

核心處理單元；

脈沖發(fā)射模塊，設(shè)于核心處理單元與超聲波探頭之間，其PWM脈沖分時切換模擬開關(guān)模塊與核心處理單元連接，其“H”橋驅(qū)動脈沖變壓器模塊設(shè)于PWM脈沖分時切換模擬開關(guān)模塊與超聲波探頭之間；

回波接收模塊，設(shè)于超聲波探頭與核心處理單元之間，其回波接收分時切換模擬開關(guān)模塊與超聲波探頭連接，其回波處理模塊設(shè)于回波接收分時切換模擬開關(guān)模塊與核心處理單元之間，其中，回波處理模塊中具有全檢波和微分模塊。

較佳的，回波處理模塊還包括回波放大和濾波模塊。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，其傳感器主體還設(shè)有分區(qū)隔離穩(wěn)壓模塊，核心處理單元通過分區(qū)隔離穩(wěn)壓模塊接入輸入電壓。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，其傳感器主體還設(shè)有數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，核心處理單元通過數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊輸出信號。

本發(fā)明的一個實(shí)施例中，全檢波和微分模塊包括：

運(yùn)算放大器U1C，其反相輸入端通過電阻4連接回波信號輸入端1接入放大后的回波信號Echo_Sign，其同相輸入端通過運(yùn)放端偏置電阻14連接運(yùn)放端偏置電壓接入端15；

檢波二極管12，其負(fù)極連接運(yùn)算放大器U1C的反相輸入端，正極連接運(yùn)算放大器U1C的輸出端；

檢波二極管13，其負(fù)極連接運(yùn)算放大器U1C的輸出端，其正極通過并聯(lián)的濾波電阻16和濾波電容18接入運(yùn)放端偏置電壓AVcc_Bias；

電阻5，連接于檢波二極管12的負(fù)極和檢波二極管13的正極；

集成運(yùn)算放大器19，其反相輸入端通過電阻6連接檢波二極管13的正極，并通過加法器電阻2接入放大后的回波信號Echo_Sign，其同相輸入端通過運(yùn)放端偏置電阻17接入運(yùn)放端偏置電壓AVcc_Bias，其輸出端與反相輸入端之間連接有運(yùn)放端反饋電阻3，集成運(yùn)算放大器19還連接有運(yùn)放端供電電壓接入端7和模擬地接入端20；

集成運(yùn)算放大器22，其反相輸入端通過依次連接的微分電容11和微分端輸入電阻10連接集成運(yùn)算放大器19的輸出端，其同相輸入端通過運(yùn)放端偏置電阻21接入運(yùn)放端偏置電壓AVcc_Bias，其輸出端與反相輸入端之間通過并聯(lián)的微分端補(bǔ)償電容8和微分端反饋電阻9連接。

其中，運(yùn)放端反饋電阻3、加法器電阻2、電阻4、電阻5、電阻6之間的電阻值關(guān)系為：R1＝R2＝R3＝R4＝2*R5。

(三)有益效果

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器，由于其是采用的超聲波測量，相較現(xiàn)有技術(shù)而言，其可以計(jì)算的啟動風(fēng)速最小為0m/s，即零啟動風(fēng)速，消除了瞬時風(fēng)速的機(jī)械慣性導(dǎo)致的誤差，能夠更寬范圍、高精度、低誤差地測量三維風(fēng)向風(fēng)速；通過探頭連接桿的設(shè)置，使得超聲波探頭處于一個敞開的空間中，其通風(fēng)性更好，尤其是其減少了對風(fēng)的干擾，得以更好地保留風(fēng)的自然特性，有助于提高測量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。其電路結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、監(jiān)測有效量程寬。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一個實(shí)施例的電路系統(tǒng)原理圖；

圖3為本發(fā)明一個實(shí)施例中的全檢波和微分模塊示意圖；

圖4為本發(fā)明一個實(shí)施例的操作流程示意圖。

【附圖標(biāo)記說明】

E1：第一探頭連接桿；

E2：第二探頭連接桿；

E3：上下軸支桿連接節(jié)；

E4：超聲波探頭；

E5：方向指示標(biāo)記；

E6：傳感器主體；

E7：固定支架；

E8：上下軸支撐桿；

E9：防水膠圈；

E10：防水膠圈；

1：回波信號輸入端；

2：加法器電阻；

3：運(yùn)放端反饋電阻；

4：電阻；

5：電阻；

6：電阻；

7：運(yùn)放端供電電壓接入端；

8：微分端補(bǔ)償電容；

9：微分端反饋電阻；

10：微分端輸入電阻；

11：微分電容；

12：檢波二極管；

13：檢波二極管；

14：運(yùn)放端偏置電阻；

15：運(yùn)放端偏置電壓接入端；

16：濾波電阻；

17：運(yùn)放端偏置電阻；

18：濾波電容；

19：集成運(yùn)算放大器；

20：模擬地接入端；

21：運(yùn)放端偏置電阻；

22：集成運(yùn)算放大器；

23：輸出電壓；

24：輸出電壓。

具體實(shí)施方式

為了更好的解釋本發(fā)明，以便于理解，下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施方式，對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

本發(fā)明一個實(shí)施例的超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器，其包括：

一個傳感器主體E6；

第一探頭連接桿E1，第一端連接于傳感器主體E6，另一端為自由端，延伸至傳感器主體E6的第一側(cè)；

第一對超聲波探頭，包括第一超聲波探頭和第二超聲波探頭，二者設(shè)于第一探頭連接桿E1的自由端，并在傳感器主體E6的第一側(cè)的測量平面上的第一測量方向正對設(shè)置；

第二探頭連接桿E2，第一端連接于傳感器主體E6，另一端為自由端，延伸至傳感器主體E6的第一側(cè)；

第二對超聲波探頭，包括第三超聲波探頭和第四超聲波探頭，二者設(shè)于第二探頭連接桿E2的自由端，并在傳感器主體E6的第一側(cè)的所述測量平面上的第二測量方向正對設(shè)置，第二測量方向與第一測量方向具有預(yù)定夾角α；

第三探頭連接桿，第一端連接于傳感器主體E6，另一端具有兩個分支端，兩個分支端分別延伸至傳感器主體E6的第一側(cè)和與第一側(cè)相反的第二側(cè)；

以及

第三對超聲波探頭，包括第五超聲波探頭和第六超聲波探頭，二者設(shè)于第三探頭連接桿的第一分支端和第二分支端，并在與所述測量平面呈預(yù)定夾角β的第三測量方向正對設(shè)置。

通過探頭連接桿的設(shè)置，使得超聲波探頭E4處于一個敞開的空間中，其通風(fēng)性更好，尤其是其減少了對風(fēng)的干擾，得以更好地保留風(fēng)的自然特性，可以防止渦流對風(fēng)速測量準(zhǔn)確性的影響，具有更高的抗干擾性，有助于提高測量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

如圖1所示，第一對超聲波探頭，包括西向超聲波探頭和東向超聲波探頭，二者在測量平面上的東西方向正對設(shè)置；第二對超聲波探頭，包括北向超聲波探頭和南向超聲波探頭，二者在所述測量平面上的南北方向正對設(shè)置；第三對超聲波探頭，包括上超聲波探頭和下超聲波探頭，二者在豎直方向上上下正對設(shè)置。通過將三組超聲波探頭設(shè)于東西、南北、上下方向，即兩兩正向?qū)ι?，且三組探頭組成的交叉線在所屬三維空間內(nèi)正交垂直(即預(yù)定夾角α的角度為90°，預(yù)定夾角β的角度為90°)，以便數(shù)據(jù)能被準(zhǔn)確測量，且可以簡化計(jì)算，提高處理速度，提高監(jiān)測頻率。

其中，探頭連接桿可以是一個或多個，例如可以是具有六個自由端的一個探頭連接桿，也可以是多個探頭連接桿共設(shè)置有六個自由端，例如，設(shè)置兩個第一探頭連接桿E1，第一超聲波探頭和第二超聲波探頭各通過一個第一探頭連接桿E1連接于傳感器主體E6，設(shè)置兩個第二探頭連接桿E2，第三超聲波探頭和第四超聲波探頭各通過一個第二探頭連接桿E2連接于傳感器主體E6，一個第三探頭連接桿，其具有上下軸支撐桿E8、上下軸支桿連接節(jié)E3、第一分支端和第二分支端，其上下軸支撐桿E8連接于傳感器主體E6，第一分支端和第二分支端通過上下軸支桿連接節(jié)E3連接于上下軸支撐桿E8，第五超聲波探頭和第六超聲波探頭分別設(shè)于第一分支端和第二分支端。借此，可以簡化結(jié)構(gòu)，便于生產(chǎn)，而且，更有利于降低對風(fēng)的干擾，得以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

其中，第一、第二探頭連接桿E1、E2整體呈C型，借此可以使第一、第二、第三和第四超聲波探頭設(shè)于傳感器主體E6的上方，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，同時，尤其能夠更進(jìn)一步地降低對風(fēng)的干擾，減少誤差。

其中，第三探頭連接桿的第一分支端整體呈C型，第二分支端整體呈C型，借此可以使第五、第六超聲波探頭分別設(shè)于傳感器主體E6的上方和下方，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，同時，尤其能夠更進(jìn)一步地降低對風(fēng)的干擾，減少誤差。

較佳的，第一、第二探頭連接桿E1、E2具有依次連接的第一延伸段、第一彎折段、第二延伸段、第二彎折段、第三延伸段、第三彎折段和第四延伸段，第一延伸段連接于傳感器主體E6，第一、第二、第三和第四超聲波探頭連接于第四延伸段；第一、第二分支端具有依次連接的第一延伸段、第一彎折段、第二延伸段、第二彎折段、第三延伸段、第三彎折段和第四延伸段，第一延伸段連接于上下軸支桿連接節(jié)E3，超聲波探頭連接于第四延伸段。各彎折段可以為圓滑過渡，借以更進(jìn)一步降低對風(fēng)的干擾，得以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

其中，第一彎折段、第二彎折段、第三彎折段的彎折角度之和為180°，較佳的，三個彎折段的彎折角度相同，均為60°，借以更進(jìn)一步降低對風(fēng)的干擾，得以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

較佳的，第一對超聲波探頭之間的距離、第二對超聲波探頭之間的距離和第三對超聲波探頭之間的距離三者相同。

其中，傳感器主體E6的外殼包括：

頂蓋，設(shè)于傳感器主體E6的第一側(cè)，其上設(shè)有安裝方向標(biāo)識(例如朝北的箭頭)，以便于安裝實(shí)施；

底座，設(shè)于傳感器主體E6相反于頂蓋的一側(cè)，用于固定主電路板和第一、第二、第三探頭連接桿；

側(cè)壁，連接于頂蓋和底座之間，第一、第二、第三探頭連接桿穿過側(cè)壁由傳感器主體E6內(nèi)部延伸出來；

防水膠圈E9和墊片，設(shè)于第一、第二、第三探頭連接桿與傳感器主體E6的連接處，并將第一、第二、第三探頭連接桿和底座的接觸點(diǎn)密封；以及

固定支架E7，連接于底座一側(cè)，在安裝時用于固定，還可以在底部安裝高強(qiáng)度航空插頭，以便于外部接線測量，可以采用高硬度、耐腐蝕、耐氧化的不銹鋼管，以保證安裝的絕對牢固性，避免晃動影響到測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實(shí)性。

較佳的，第三探頭連接桿的第一分支端和第二分支端與上下軸支桿連接節(jié)E3之間也設(shè)置防水膠圈E10和墊片，借以起到內(nèi)外防水隔離的作用。

較佳的，超聲波探頭與傳感器主體E6之間的固定方式為連接桿一體化(如金屬桿一體化，可采用外徑6mm的高硬度鋼管)，無活動零部件，能夠有效防止晃動造成的系統(tǒng)誤差。

傳感器主體E6的外殼可以采用高強(qiáng)度的耐腐蝕材料制成。

例如，可以涂覆有防腐涂層。

其中，防腐涂層可以采用由下列重量份的成分組成的涂料：

環(huán)氧樹脂100-110份、苯烯酸樹脂20-30份、異氰脲酸三縮水甘油酯10-18份、二苯醚樹脂10-15份、二甲苯15-18份、聚乙烯醇縮丁醛酯2-3份、氮化硅5-15份、吡啶硫酮鋅7-10份、二月桂酸二丁基錫1-3份、季戊四醇1-2份、聚苯并咪唑8-12份、氨丙基三乙氧基硅烷1-3份、FeCr2O4納米粉3-4份、滑石粉1-5份、二甲基乙醇胺3-8份、二壬基萘磺酸鋇6-10份、Ag3PO4納米粉1-2份、二氧化鈦納米粉2-5份、MoO3納米粉5-8份、HfO2納米粉3-11份。

較佳的，環(huán)氧樹脂105份、苯烯酸樹脂25份、異氰脲酸三縮水甘油酯14份、二苯醚樹脂12份、二甲苯16.8份、聚乙烯醇縮丁醛酯2.4份、氮化硅8份、吡啶硫酮鋅8份、二月桂酸二丁基錫2份、季戊四醇1.2份、聚苯并咪唑10份、氨丙基三乙氧基硅烷2份、FeCr2O4納米粉3.3份、滑石粉3份、二甲基乙醇胺4份、二壬基萘磺酸鋇8份、Ag3PO4納米粉1.2份、二氧化鈦納米粉2.5份、MoO3納米粉5.8份、HfO2納米粉4.1份。

采用上述防腐涂層，不僅可以提高耐候性，而且，其耐沖擊，不易脫落，尤其是，在日曬下，相較未涂覆涂層時，殼體溫升能夠被有效抑制。

上述結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使得傳感器主體E6的外形簡潔、結(jié)構(gòu)緊湊，可以最大限度地降低對風(fēng)的干擾，得以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，尤其是連接桿固定超聲波探頭E4的方式，可以在保證最大強(qiáng)度固定探頭位置的同時，將對測量的立體風(fēng)影響降低至最低限度。

其中，為了達(dá)到分時驅(qū)動超聲波探頭E4的目的，傳感器主體E6采用由核心處理器發(fā)送高頻脈沖，再經(jīng)過多路模擬開關(guān)切換的方式，為了有效增強(qiáng)超聲波探頭的發(fā)射功率，增強(qiáng)傳播的抗衰減性，脈沖變壓器的初級線圈端采用“H”橋驅(qū)動，將低壓脈沖在次級線圈端變?yōu)楦邏好}沖，為了提高對回波的檢測精度，傳感器主體E6的電路部分還對回波處理加入了全檢波和微分電路。

具體的，參見圖2，傳感器主體E6中的電路結(jié)構(gòu)包括：

核心處理單元；

脈沖發(fā)射模塊，設(shè)于核心處理單元與超聲波探頭E4之間，其PWM脈沖分時切換模擬開關(guān)模塊與核心處理單元連接，其“H”橋驅(qū)動脈沖變壓器模塊設(shè)于PWM脈沖分時切換模擬開關(guān)模塊與超聲波探頭之間；

回波接收模塊，設(shè)于超聲波探頭E4與核心處理單元之間，其回波接收分時切換模擬開關(guān)模塊與超聲波探頭E4連接，其回波處理模塊設(shè)于回波接收分時切換模擬開關(guān)模塊與核心處理單元之間，其中，回波處理模塊中具有全檢波和微分模塊。

較佳的，參見圖3，全檢波和微分模塊包括：

運(yùn)算放大器U1C，其反相輸入端通過電阻4連接回波信號輸入端1接入放大后的回波信號Echo_Sign，其同相輸入端通過運(yùn)放端偏置電阻14連接運(yùn)放端偏置電壓接入端15；

檢波二極管12，其負(fù)極連接運(yùn)算放大器U1C的反相輸入端，正極連接運(yùn)算放大器U1C的輸出端；

檢波二極管13，其負(fù)極連接運(yùn)算放大器U1C的輸出端，其正極通過并聯(lián)的濾波電阻16和濾波電容18連接運(yùn)放端偏置電壓AVcc_Bias；

電阻5，連接于檢波二極管12的負(fù)極和檢波二極管13的正極；

集成運(yùn)算放大器19，其反相輸入端通過電阻6連接檢波二極管13的正極，并通過加法器電阻2接入放大后的回波信號Echo_Sign，其同相輸入端通過運(yùn)放端偏置電阻17接入運(yùn)放端偏置電壓AVcc_Bias，其輸出端與反相輸入端之間連接有運(yùn)放端反饋電阻3，集成運(yùn)算放大器19還連接有運(yùn)放端供電電壓接入端7和模擬地接入端20；

集成運(yùn)算放大器22，其反相輸入端通過依次連接的微分電容11和微分端輸入電阻10連接集成運(yùn)算放大器19的輸出端，其同相輸入端通過運(yùn)放端偏置電阻21接入運(yùn)放端偏置電壓AVcc_Bias，其輸出端與反相輸入端之間通過并聯(lián)的微分端補(bǔ)償電容8和微分端反饋電阻9連接。

其中，R1＝R2＝R3＝R4＝2*R5。

借助上述結(jié)構(gòu)，可以由運(yùn)算放大器和檢波二極管構(gòu)成絕對值檢波電路，無論輸入信號是大于還是小于中心偏置電壓，輸出結(jié)果均為大于中心偏置電壓，具體的：

當(dāng)Vi>0，Vo1<0時，檢波二極管13導(dǎo)通，檢波二極管12截止，

化簡得：

V_O＝V_i式(12)；

當(dāng)Vi<0，Vo1>0時，檢波二極管12導(dǎo)通，檢波二極管13截止，

化簡得：

V_O＝-V_i式(14)，

其中，Vi為放大后的回波信號，Vol為輸出電壓23，Vo為輸出電壓24。

運(yùn)算放大器19形成加法器運(yùn)算放大，將全檢波信號放大，運(yùn)算放大器22形成微分電路，微分電容11通過儲能、濾除載波無用，將直接解析出有用的過中心回波信號。

其中，回波處理模塊還包括回波放大和濾波模塊。

較佳的，其傳感器主體E6還設(shè)有分區(qū)隔離穩(wěn)壓模塊，核心處理單元通過分區(qū)隔離穩(wěn)壓模塊接入輸入電壓。

其中，傳感器主體E6還設(shè)有數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，核心處理單元通過數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊輸出信號。

其中，為了進(jìn)一步提高其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還提供校準(zhǔn)功能，其歸零校準(zhǔn)在靜態(tài)環(huán)境下完成，調(diào)校超聲波間一致性和電路間誤差，其分段極值校準(zhǔn)是在不同標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速點(diǎn)位進(jìn)行對傳感器的校準(zhǔn)，例如10m/s校準(zhǔn)，當(dāng)風(fēng)洞提供標(biāo)準(zhǔn)的10m/s風(fēng)速時，通過計(jì)算傳感器的測量值和標(biāo)準(zhǔn)值做差，差值再線性擬合校準(zhǔn)到測量值中。

其中，還可以在傳感器主體E6中內(nèi)置設(shè)置模塊，借以對包括數(shù)據(jù)輸出頻率等進(jìn)行設(shè)置，例如使用戶可選擇單位時間內(nèi)輸出瞬時值或平均值。

為了提高測量精度，降低系統(tǒng)誤差，可以選用寬量程、低盲區(qū)的超聲波探頭，還可以采用高主頻電路來改進(jìn)瞬時平面風(fēng)向風(fēng)速測量值，為了提高適應(yīng)性，讓其能夠全天候使用，超聲波探頭可以內(nèi)置加熱模塊，避免冰霜、雨雪對測量的影響，更加能夠適應(yīng)全天候測量環(huán)境。

實(shí)施時，可以采用超聲波時差法計(jì)算測量單軸風(fēng)速風(fēng)向，傳感器利用對側(cè)探頭聲波脈沖收發(fā)，測量風(fēng)速對回波時長影響。例如，首先第一超聲波探頭作為發(fā)射探頭，第二超聲波探頭作為接收探頭，進(jìn)行測量時得到一個時間，然后第二超聲波探頭作為發(fā)射探頭，第一超聲波探頭作為接收探頭得到相對方向上的另一個時間(單軸風(fēng)速計(jì)算無需溫度補(bǔ)償，對射探頭的計(jì)算誤差可相互抵消)。

設(shè)南北(或東西或上下)的兩個超聲波探頭間的距離為d，順風(fēng)時二者間的傳輸時間為t₁₂，逆風(fēng)時二者間的傳輸時間為t₂₁，風(fēng)速為V_w，超聲波傳播速度為V_S，可得：

化簡可得風(fēng)速Vw：

化簡可得聲速V_S：

超聲波在空氣中傳播速度C(m/s)與溫度T(℃)的關(guān)系式為:

將根據(jù)固定軸距和測量時間計(jì)算得出的聲速值帶入式(5)，便可計(jì)算出聲溫值。

單軸風(fēng)速矢量計(jì)算完成后，再利用該風(fēng)速通過計(jì)算來合成矢量風(fēng)速和風(fēng)向，平面內(nèi)角度計(jì)算分為四個象限，即0～90°、91～180°、181～270°、271～359°，單軸風(fēng)速定義為：東西軸V_EW、南北軸V_SN，矢量風(fēng)向?yàn)镈；

可按式(6)計(jì)算得到平面矢量風(fēng)速：

可按式(7)-式(10)計(jì)算平面矢量風(fēng)向：

若在0～90°象限內(nèi)：

若在91～180°象限內(nèi)：

若在181～270°象限內(nèi)：

若在271～359°象限內(nèi)：

用平面內(nèi)矢量風(fēng)速和風(fēng)向再加入Z軸的矢量風(fēng)速，即為空間三維的風(fēng)速風(fēng)向的表示。

參見圖4，本發(fā)明還提供了超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器的監(jiān)測方法，其包括如下步驟：

S1、開機(jī)自檢；

S2、參數(shù)配置初始化；

S3、開啟時基定時器(SYSTICK)；

S4、測量單探頭回波時間；

S5、濾波計(jì)算風(fēng)速風(fēng)向溫度數(shù)據(jù)；

S6、判斷測量單周期是否完成，若否，則返回執(zhí)行步驟S4，若是，則繼續(xù)執(zhí)行步驟S7；

S7、濾波計(jì)算風(fēng)速風(fēng)向溫度數(shù)據(jù)；

S8、判斷是否達(dá)到定時輸出數(shù)據(jù)時間，若否，則返回執(zhí)行步驟S4～S7，若是，則繼續(xù)執(zhí)行步驟S9；

S9、DMA串口自動發(fā)送數(shù)據(jù)包。

其中，步驟S4～S7具體包括：

S10、探頭單驅(qū)動準(zhǔn)備；

S11、各探頭單次測量；

S12、每次測量數(shù)據(jù)存入固定數(shù)組；

S13、存儲測量值的數(shù)組中數(shù)據(jù)整體右移一位；

S14、平均各單軸數(shù)組數(shù)據(jù)，合成計(jì)算瞬時風(fēng)向風(fēng)速值。

通過上述方法，本發(fā)明的超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器可以實(shí)時、準(zhǔn)確地測得三維風(fēng)速風(fēng)向。

綜上所述，本發(fā)明的超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器，由于其是采用的超聲波測量，相較現(xiàn)有技術(shù)而言，其無接觸的測量方式避免了機(jī)械磨損帶來的失真誤差和慣性誤差，能夠更寬范圍、高精度、低誤差地測量立體矢量風(fēng)向和風(fēng)速，理論計(jì)算啟動風(fēng)速最低限為0m/s，輸出瞬時風(fēng)速具有更高可靠性；通過探頭連接桿的設(shè)置，使得超聲波探頭處于一個敞開的空間中，其通風(fēng)性更好，尤其是其減少了對風(fēng)的干擾，得以更好地保留風(fēng)的自然特性，有助于提高測量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。進(jìn)一步地，其通過在電路部分對回波處理加入全檢波和微分電路，整體提高了對回波的檢測精度；通過由核心處理器發(fā)送高頻脈沖，經(jīng)過多路模擬開關(guān)切換，達(dá)到了分時驅(qū)動超聲波探頭的效果；通過脈沖變壓器的初級線圈端采用“H”橋驅(qū)動，將低壓脈沖在次級線圈端變?yōu)楦邏好}沖，有效增強(qiáng)了超聲波探頭的發(fā)射功率，增強(qiáng)了傳播的抗衰減性，且其電路結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、監(jiān)測頻率寬。簡單來說，本發(fā)明的超聲波三維風(fēng)向風(fēng)速傳感器可在惡劣環(huán)境下不間歇工作，提供有效空間三維度的風(fēng)向風(fēng)速測量值，通過改進(jìn)測量和安裝結(jié)構(gòu)，可以防止渦流對正常風(fēng)速的準(zhǔn)確測量，并具有更高的分辨率和更低的誤差率。