超声波风速测试设计

金雨坤

【摘要】目前市场上常见的风速风向测试仪主要有机械式风速仪，激光多普勒测风速仪等。机械式风速仪主要存在机械器件易损耗，需要启动风速从而无法测量低风速，精度低的缺点。激光多普勒测风速仪虽然测量精度高，但是其价格高昂，维护成本巨大，应用范围窄。超声波风速仪具有无机械部件、反应速度快、线性度高等优点，本文主要探索研究一种高精度的超声波风速风向测量装置。

【关键词】超声波风速仪;FPGA：时差测风速理论模型

二、时差法测风速理论模型

超声波在风的影响下回波到达的时间是不同的，因此可以通过在顺风和逆风的情况下，回波信号的达到的时间差来计算风速。

以平面二维模型为例，时差法测风速的原理图如图2所示：

结合式（4）和式（5）可以看出，测量时的风速大小仅与测量所得--顺风和逆风状况下的渡越时差有关，与测量时环境的声速无关。

若求解三維空间中的风速，至少需要3条传播路径，而且3条路径所在的直线不能处于同一个平面，而且每条路径测得的风速是这段路劲长度上的平均风速。在此暂不讨论更复杂的情况。

三、超声波换能器和回波调理电路

超声波换能器的功能是将输入的电能量转换成机械动能量（即超声波信号）再传递出去，超声波换能器的主要作用是产生和接收超声波信号

超声波回波调理电路由超声波换能器，初级放大器，带通滤波器，后级放大器，差分驱动电路以及ADC采集电路构成，并且通过FPGA增益控制。

初级调理电路是回波调理电路的第一级，负责微弱信号的放大任务和双端输入转为单端输出，以便后续处理，再进入带通滤波器如OPA656N，经过后级放大再通过差分驱动电路，产生ADC的差分输入信号送入ADC进行采集

在实际测量中，由于测量环境的改变，超声波信号幅度的衰减可能会不同，为了增加测量的灵活性，可以增加两级程控放大模块使得电路有增益可调的功能，能够动态调节电路增益使得输入信号总是满足ADC的最佳输入范围。

ADC驱动模块是为了让输入信号匹配ADC的输入要求，使得ADC尽可能地达到最高的转换效率和精度。

四、结论

FPGA可以提供高精度的时钟信号，以确保发射信号和回波信号的之间的渡越时差得到精准的测量，可以根据空气动力研究与发展中心的进一步改善硬件结构设计，优化程序结构以提高算法的效率。