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超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器測速原理及其應(yīng)用
風(fēng)矢量是指風(fēng)速和風(fēng)向，是氣象監(jiān)測中基本的監(jiān)測要素之一。
現(xiàn)代氣象站隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，變得越來越智能化，并逐漸向著全天無人值守發(fā)展。因此，現(xiàn)代氣象站迫切需要一款精度高，免維護(hù)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器。
傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向傳感器存在轉(zhuǎn)動部件，容易產(chǎn)生磨損。機(jī)械結(jié)構(gòu)可能受到惡劣天氣的損害。沙塵和鹽霧也會對其造成腐蝕。同時(shí)由于摩擦的存在機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀還存在啟動風(fēng)速。低于啟動值的風(fēng)速將不能驅(qū)動螺旋槳或者風(fēng)杯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此對于低于啟動風(fēng)速的微風(fēng)機(jī)械式風(fēng)速儀將無法測量。為克服傳統(tǒng)風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀的固有缺點(diǎn)新型超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀應(yīng)運(yùn)而生。
超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器由于其反應(yīng)速度快、測量精度高、維護(hù)使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)研究中得到了廣泛地應(yīng)用。超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器主要利用四個(gè)垂直放置的超聲波傳感器發(fā)射的超聲波頻率差別來計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向，并通過傳感器輸出以風(fēng)速（m/s）和風(fēng)向（°）。
三種超聲波測速法
超聲波式測風(fēng)速主要有時(shí)差法、頻差法、相位差法和相關(guān)法等測量方法。
時(shí)差法
時(shí)差法很常見，其原理為：在平靜空氣中，聲波的傳播速度會被在風(fēng)方向的空氣流動所改變。如果風(fēng)向和聲波的傳播方向相同，就會增大聲波的傳播速度，反之則會減小聲波的速度。
在超聲波在空氣中傳播時(shí)，順風(fēng)與逆風(fēng)方向傳播存在一個(gè)速度差，當(dāng)傳播固定距離時(shí)，此速度差反映一個(gè)時(shí)間差,這個(gè)時(shí)間差與待測風(fēng)速具有線性關(guān)系。因此，超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器是以固定頻率順序發(fā)射超聲波，測量兩個(gè)方向上超聲波的到達(dá)時(shí)間，由此得到順風(fēng)的傳播速度和逆風(fēng)的傳播速度，經(jīng)過處理換算即得到風(fēng)速值。
頻差法
頻差法是循環(huán)多次的直接法此法的精度是直接時(shí)差法的循環(huán)次數(shù)倍適用于中、小口徑管道優(yōu)點(diǎn)是精度高、受溫度影響較小缺點(diǎn)是受環(huán)境影響大工作不穩(wěn)定。
相位差法
相位差法是將風(fēng)速通過時(shí)間差轉(zhuǎn)換為相位進(jìn)行測量。
超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器存在的問題
風(fēng)向角瞬變問題：在分析由二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號時(shí)，風(fēng)向數(shù)據(jù)中普遍存在風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象，即在很短的時(shí)間內(nèi)風(fēng)向角出現(xiàn)極為劇烈且幅度很大的波動。風(fēng)向角瞬變時(shí)段的風(fēng)向信號波動特性與其他時(shí)段明顯不同，只有深入了解出現(xiàn)風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象的原因，才能判斷出這種現(xiàn)象是否會對后續(xù)風(fēng)向信號波動分析產(chǎn)生影響，如果有不利影響，還應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒▽︼L(fēng)向信號做合理的修正。
超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器目前廣泛應(yīng)用于電力安全監(jiān)控、橋梁隧道、航海船舶城市環(huán)境監(jiān)測、道路安全等領(lǐng)域。超聲波風(fēng)速儀的諸多優(yōu)點(diǎn)使其運(yùn)用越來越廣泛，是未來將占風(fēng)速測量裝置的主導(dǎo)位置。