跟着超声波技能的开展，超声波在风速丈量、流体的流速和流量的丈量中起到了重要作用。现在，选用超声波进行风速丈量的办法首要有超声波时差法、多普勒法、相关法、卡门涡街原理、相位差法和超声波频率差法。
超声波时差法是现在使用的最早而且最为广泛的一种测风办法，因其具有原理简略，装置便利等长处，适用于很多程大风速的场合。时差法丈量的关键技能在于精确丈量小风速时的时刻差值。在风速小于0.2 m/s时，需求丈量的时刻精度需求到达二十纳秒，乃至更小，精确丈量低风速时的时差较为困难，而且受环境温度影响较大。文中经过相互关法对检测的数据进行处理，有用的进步了丈量精度。
1 超声波风速风向检测仪的结构和丈量原理
超声波测风选用时差法，其原理是使用超声波信号顺风和逆风传达的时刻差来丈量风速和风向。超声波时差法测风模型如图1所示。A、B别离为收发一体式超声波换能器，超声波换能器A和B的连线与风向成45度角，设置A与B的垂直间隔为L，则A与B的超声波传输间隔为
。
当风速为VAB，风向由A流向B时，有
式中tAB、tBA别离为超声波从A点到B点的传输时刻和从B点到A点的传输时刻，θ角为45度，由(1)、(2)得，
由(4)能够看出，只需测得超声波从A到B和从B到A的传输时刻，就能够核算出风速。当L的取值为0.1 m时，风速到达0.2 m/s，标况下c=340 m/s，核算tAB、tBA别离为415.768 24μs、416.114 25μs，tBA-tAB=346 ns，处理器芯片的主频到达100MHz，最小检测分辨率也只要10 ns，差错比较大;超声波在空气中传达速度受温度影响，需求对温度形成的差错进行批改;一起超声波换能器在接纳超声波时是逐渐起振和余振逐渐消失的进程，因而由硬件带来的差错对时刻差的丈量具有较大的影响，选用直接丈量时刻差的办法会形成丈量成果严峻失真。
本文丈量超声波在空气中传达的时刻差，选用对时刻丈量信号进行相互关法进行核算，相互关法的长处在于其丈量精度高，对环境噪声具有很强的免疫性。相关函数描绘了一个信号曩昔时刻和现在时刻的相互关系，也能够估量信号的下一个取值，相关函数能够描绘两个信号之间的相互关系或许相似性程度。由信号相关性可知，r1(t)和r2(t)的互相关函数R12(t)为
R12(τ)为信号r1(τ)和r2(τ)的时刻差τ的函数，τ=t1-t2，其时相互关函数获得最大值时，有t=τ，此刻的τ值即为需求丈量的时刻差。
经过DSP对相关函数进行核算得到，可是，对很多数据逐点核算相关函数，运算量非常大耗时长，实时性差。在本文中，将时域的相关函数改换为频域中进行核算，能够极大进步核算功率，如下式所示，
依据时域信号的卷积的离散傅里叶改换等于信号傅里叶改换在频域内的乘积，频域内的傅里叶改换核算完结后，经过傅里叶反改换改换为时域的相关核算成果，如下式所示，
在核算成果中选取相关成果最大值对应的时刻t，即为咱们需求的时刻差。
2 超声波的温度补偿
依据欧拉方程，声响在空气中的传达速度为：
c=331+0.6T
式中T为环境的实践温度，单位为摄氏温度。电路中对温度的检测本文选用DS18B20数字式温度传感器，选用数字式温度传感器丈量温度根本精确，能够满意丈量的精度要求，而且具有接口电路简略，价格低廉和操作便利等长处。
3 低风速杂乱风向搅扰滤除
在煤矿井下巷道中，因风速风向检测仪的装置方位、邻近影响风路等要素的存在，当风速减小至低于0.1 m/s时，实践风向呈现出摇晃状况，导致风向指示不断的正反两个方向跳变，传感器的输出信号一向的在跳变，因为低风速时风向的状况与风向改动状况及相应的风速巨细有关，所以本文选用风速矢量计算加权的办法，确认低风速时风向的安稳指向。在设定时刻内T内。
采样N点矢量风速，规则从A到B为正向矢量风速，则第N点的风速巨细为aN，方向为bN，这时刻T内N点风速的加权值y0为：
4 硬件电路规划
超声波测风仪体系硬件以TI公司的TMS320VC5509A低成本处理器为中心进行规划，TMS320VC5509A是定点型的高速数字信号专用处理器，主频高达200 MHz，首要使用于实时的数字信号处理场合，是功耗较低的一款DSP芯片型号，具有较好的实时功能。
硬件中心操控体系首要包含DSP芯片的时钟电路、复位电路以及程序调试电路等。
超声波发送和接纳电路为硬件规划的要点，发射电路完结超声波以150 Hz的频率经过超声波探头发送出去，在接纳端经过超声波换能器将接纳到的超声波进行滤波扩大后输出至处理芯片进行处理。发送电路和接纳电路别离如图2、3所示。
在发送电路中，选用CD4069反相器发动，CD4069具有驱动能力强、电路简略等长处，价格低廉具有较高的性价比;接纳电路中，由超声波换能器接纳超声波信号，接纳到的超声波信号经过告知运算扩大器LMH6643构成的滤波和扩大电路扩大后，输出至DSP，DSP对超声波信号进行收集并进行数字处理。
5 体系软件规划
体系的程序规划首要包含体系各个模块初始化设置，超声波发送和接纳操控，数据收集模块，数字信号处理模块，显现模块和对外通讯模块。体系初始化完结DSP芯片的时钟装备、ADC、定时器和串口的初始化装备等。数据收集使用ADC完结超声波信号的采，数字信号处理模块首要完结对收集到的超声波信号进行运算得出精确的风速丈量值，使用液晶模块将丈量风速和风向值进行显现，使用串口将丈量值进行输出。软件流程图如图4所示。
6 测验与剖析
在测验中，阈值Zz和阈值Zf别离设置为0.1 m/s。选用TES-1340和ST733风速风向仪丈量实践的风速，作为规范值，将风速风向检测仪的丈量值与其比照，对同一点风速和风向进行屡次丈量，丈量数据平均值如表1所示。
经过表1能够看出，风速在大于0.2 m/s时的根本差错小于0.2 m/s，风向无差错;当风速小于0.1 m/s时，检测仪的输出风速为0 m/s，契合阈值的设定输出值。
7 定论
文中对依据DSP的超声波式风速风向传感器进行了硬件和软件的研讨与规划，论述了超声波丈量风速和风向的原理以及软件和硬件的完成办法，选用TMS320VC5509A作为操控和数据处理的中心，极大的进步了数据的处理速度。经过重复的试验验证，该风速风向检测仪进步了风速的丈量规模和丈量的精度，具有较强的实用性。
