一种小型化超声波换能器测风阵列结构装置

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种小型化超声波换能器测风阵列结构装置。

背景技术

基于小型化超声波换能器阵列进行风速测量是超声波检测技术在气体介质中的一种应用，小型化超声波换能器测风阵列结构装置就是运用数量不等的超声波换能器相互排列组合构成小型化的二维或三维阵列结构，利用超声波在空气中传播速度受空气流动(风)的影响而产生变化来间接测量风速的。

从测量阵列上来讲，目前用于风速测量超声波换能器阵列结构装置主要包括脉冲对射式的二维或三维超声波换能器测风阵列结构装置以及脉冲反射式的二维超声波换能器测风阵列结构装置。脉冲对射式的三维超声波换能器阵列结构装置空间复杂度高，整体尺寸仍较大；脉冲对射式或传统脉冲反射式的二维超声波换能器阵列结构装置虽较三维超声波换能器阵列结构装置整体尺寸有所减小，但超声波换能器水平分布距离仍然较大。

从测量电路上来讲，目前大多由微控制器、单输入-多输出超声波换能器激励信号多路选择器、超声波激励信号前级驱动放大电、超声波换能器模块组、多输入-单输出超声波换能器回波信号多路选择器、超声波回波信号处理电路等核心测量电路组成，虽然可以实现测量功能，但整体电路设计仍然较复杂，导致超声波风速传感器进一步小型化难度加大，传统常规测量电路如图13所示。

为此，申请人设计开发解决上述问题的具有小型化、便携式等特点的新型脉冲反射式二维超声波换能器阵列结构装置。

发明内容

本发明针对现有超声波换能器测风阵列结构装置无法进一步小型化的技术难题，结合精巧化的测量结构设计、简约化的测量电路设计以及高效化的风速算法设计，基于超声波多通道回波信号反射法，创新设计一种多重脉冲反射式的二维十字形分布超声波换能器侧风阵列结构装置，节约成本，降低功耗，为实现超声波风速测量系统小型化、使其能更加适用于气候监控、环境检测以及应急保障等诸多领域中提供新的方法和开辟新的途径。

本发明的目的是提供一种小型化超声波换能器测风阵列结构装置，自上而下依次包括：

圆形采集控制电路板、圆形探头座、ABS绝缘材料空心支撑柱、圆形信号反射板和圆形供电通信电路板；

所述采集控制电路板包括微处理器、十字形分布超声波换能器模块组、多输入-单输出多路选择器、超声波回波信号处理电路；

所述探头座上开设有放置超声波换能器的四个安装槽；所述超声波换能器可采用平面圆柱体防水超声波换能器和球面圆柱体防水超声波换能器两类；所述超声波换能器的接线端通过焊接工艺与采集控制电路板直接相连；

所述ABS绝缘材料空心支撑柱，其上下两端分别设置有密封圈；

所述采集控制电路板通过在ABS绝缘材料空心支撑柱中走线与供电通信电路板进行数据交互。

优选地，所述超声波换能器测风阵列结构装置不同于对射式二维十字形分布和一次脉冲反射式二维十字形分布的两种超声波换能器阵列，而是采用多重脉冲反射式的二维十字形分布的超声波换能器阵列。

优选地，所述采集控制电路板中驱动超声波换能器无需前级驱动放大电路和单输入-多输出多路选择器，利用微处理器直接激励超声波换能器发射信号，且利用多路选择器多输入-单输出的方式实现超声波换能器发射信号和接收回波信号的通道切换，超声波回波信号处理电路采用模拟有源滤波方式搭建四个一阶带通滤波器实现超声波回波信号的滤波、放大以及整形功能。

优选地，所述风速测量算法工序为：

S1、获取基础数据；所述基础数据包括两个超声波换能器之间的传播声程(水平分布距离)D；无风条件下各轴上的信号传播时间t

S2、依据下列公式进行风速计算；

v为风速，Φ为风向角，v

本申请的有益效果是：

1.本发明采用了多重脉冲反射式的二维十字形分布的超声波换能器阵列，超声波回波信号经过多次反射后被接收和处理，增加了传播声程，可以在减小发射面和反射面之间的距离、两个超声波换能器之间的水平距离的同时完成风速测量功能，实现了超声波换能器测风阵列结构小型化；

2.本发明采用了微控制器和多输入-单输出多路选择器引脚复用的方式完成超声波换能器激励信号和接收信号的时序控制，再利用四个一阶带通模拟有源滤波器处理超声波回波信号，最后送回控制器进行数据处理。省去了前级驱动放大电路和单输入-多输出多路选择器，实现了超声波换能器测风阵列电路小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明优选实施例的结构图；

图2为本发明优选实施例中信号采集控制硬件电路结构示意图；

图3为本发明优选实施例中微处理器电路图；

图4为本发明优选实施例中多输入-单输出多路选择器电路图；

图5为本发明优选实施例中超声波回波信号处理电路图；

图6为本发明优选实施例中探头座的结构示意图；

图7为本发明优选实施例中平面圆柱体防水型超声波换能器探头及其连接方式示意图；

图8为本发明优选实施例中球面圆柱体防水型超声波换能器探头及其连接方式示意图；

图9为本发明优选实施例中ABS绝缘材料空心支撑柱结构示意图；

图10为本发明优选实施例中电路控制流程与工作原理示意图；

图11为本发明优选实施例中多重脉冲信号反射路径示意图；

图12为本发明优选实施例中风速测量算法图；

图13为传统常规超声波风速传感器测量电路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图1，一种小型化超声波换能器测风阵列结构装置，包括：

圆形采集控制电路板1、圆形探头座2、ABS绝缘材料空心支撑柱3、圆形信号反射板4和圆形供电通信电路板5；其中：

请参阅图2，所述采集控制电路板1包括微处理器6、十字形分布超声波换能器模块组7、多输入-单输出多路选择器8、超声波回波信号处理电路9；其中：

请参阅图3，所述微处理器6采用Microchip公司的PIC系列微处理器，3.3V电压供电，8M外部晶振。其中，引脚46(RD0)、49(RD1)、引脚50(RD2)、引脚51(RD3)、引脚52(RD4)、引脚53(RD5)、引脚54(RD6)、引脚55(RD7)作为所述超声波换能器模块组7的超声波激励信号控制引脚；引脚46(RD0)、引脚50(RD2)、引脚52(RD4)、引脚54(RD6)同时作为所述多路选择器8的超声波回波信号输入引脚，引脚43(RD9)、引脚44(RD10)、引脚45(RD11)作为所述多路选择器8的通道选择控制引脚。

请参阅图4，所述多路选择器8采用八通道模拟多路选择器，其中，引脚9(C)与地线相连，引脚6(EN)、引脚10(B)、引脚11(A)分别与所述微处理器6的引脚44(RD10)、引脚45(RD11)、引脚43(RD9)相连；引脚13(X0)、引脚14(X1)、引脚15(X2)、引脚16(X3)采用引脚复用方式，分别与所述微处理器6的引脚46(RD0)、引脚50(RD2)、引脚52(RD4)、引脚54(RD6)以及所述超声波换能器模块7中的超声波换能器RT1、RT2、RT3、RT4各一端相连；引脚3(X)与所述超声波回波信号处理电路9的输入端相连。利用多输入-单输出模式控制所述超声波换能器模块7的通道切换、超声波回波信号的输入和输出。

请参阅图5，所述超声波回波信号处理电路9采用模拟有源滤波方式，搭建四级一阶带通滤波器实现超声波回波信号的滤波、放大以及整形功能。其中，U2A为第一级滤波器；U2B为第二级滤波器；U2C为第三级滤波器；U2D为第四级滤波器。

请参阅图6，所述探头座2上开设有放置超声波换能器的四个安装槽，四个安装槽分别为上侧安装槽10、下侧安装槽11、左侧安装槽12、右侧安装槽13；所述超声波换能器的接线端通过焊接工艺与采集控制电路板1直接相连。

请参阅图7至图8，探头座上的每个安装槽放置有一枚平面或球面圆柱体防水超声波换能器，平面圆柱体防水超声波换能器14的第一接线端15、第二接线端16、球面圆柱体防水超声波换能器17第三接线端18、第四接线端19通过焊接工艺与采集控制电路板1直接相连。

请参阅图9，所述ABS绝缘材料空心支撑柱3，其上下两端分别设置有第一密封圈20、第二密封圈21。

所述采集控制电路板1通过在ABS绝缘材料空心支撑柱3中走线与供电通信电路板5进行数据交互。

请参阅图10，本发明的工作原理：设超声波换能器RT1发射信号，超声波换能器RT2接收信号为第一组；超声波换能器RT2发射信号，超声波换能器RT1接收信号为第二组；超声波换能器RT3发射信号，超声波换能器RT4接收信号为第三组；超声波换能器RT4发射信号，超声波换能器RT3接收信号为第四组。以第一组为例进行说明：微处理器产生方波信号直接激励超声波换能器RT1发射信号，超声波换能器RT2接收回波信号，信号接收时间持续2～3ms。每组信号处理时间间隔为6.5ms，四组为一个过程，循环往复。

请参阅图11至12，所述风速测量算法工序为：

S1、获取基础数据；所述基础数据包括两个超声波换能器之间的传播声程(水平分布距离)D；无风条件下各轴上的信号传播时间t

S2、依据下列公式进行风速计算；

v为风速，Φ为风向角，v

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。