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超声风速仪原理
声波发射器使用超声波,以便与环境声波相区别。在距测风仪器一定距离的两端各置一对超声波发射器和接收器,超声波从发射器到接收器逆风传播时间与顺风传播时间之差与该距离上风速分量成正比,而逆风传播与顺风传播时间之和与该距离上空气温有关。通过电子线路测得时间差和时间之和就可求得风速。在东西、南北、垂直方向上各放置两对声发射器和接收器,就可分别测量出3个方向上的风速分量。声波传播速度与气温有关,测量结果需做温度订正。这种仪器具有较宽的量程和灵敏度;不必考虑旋转式风速表所固有的启动风速,响应速度快,可测量微风。广泛用于大气湍流的研究。
1 基于时间差法超声波风速仪的设计
利用超声波测量风速可采用时间差法、相位差法和频率差法等几类方法。其中，相位差法与测试环境温度有关；频率差法稳定性较差；时间差法与测试环境温度、湿度均无关且相对较稳定，同时，时间（时间差）也是人类至今为止测试精度最高的物理参量，因此。目前人们普遍采用时间差法来设计、研制风速测试仪。该项目采用时间差法设计并研制超声波风速测速仪。
2 时间差法超声波风速仪工作原理
基于时间差方法超声波风速测速仪设计方案如图1所示。信号控制系统发出一次触发信号触发x轴线上一对超声波探头中的一个，使其发射频率为f的超声波脉冲串，该脉冲串经顶部反射面反射后（如图2），由该方向的另一超声波探头接收，接收超声波信号经放大器放大后，由接收机记录超声波传输时间t1x；
图2 超声波束传输路径
然后，信号控制系统再发出一次触发信号触发x轴线上一对超声波探头中的另一个，而第一次作为发射源的超声波探头作为接收器，重复上述步骤，记录超声波传输时间t2x；依据两次测量情况下超声波传输的时间差（t2x- t1x），计算风的x向速率vx；
图1 基于时间差法风速测速仪设计方案
同理，信号控制系统分别沿y方向顺风、逆风各发射一次超声波脉冲串，通过时间差（t2y- t1y）计算风的y向速率vy；按矢量合成法则，可计算得到风速的速率以及风速方向；最后将计算结果传入显示系统显示。
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