基于超声测速技术的数字大气环境因素测量仪

摘要 传统的机械式风速测量仪受到诸多因素的影响和限制，已无法满足现今测量领域的指标。而使用超声波作为测量手段可以有效地提高测量精度、减少测量误差、降低功耗。系统采用MSP430作为处理核心，利用超声波的特性，使用超声波传感器，实现对空气中风速的测量，并利用无线通信ZigBee技术实现通信交互。通过分析得出文中装置测量精准、出风速度越大，测量越准确。
关键词 风速测量；MSP430；超声波传感器；ZigBee

风速是重要的环境因素，对风速的测量意义重大。风速的测量，传统方法是机械扇叶式的换能测量，这种方法因为受到机械摩擦和由于摩擦造成的温度零飘等因素的影响，测量精度不能满足现在测量系统的要求。
超声波是一种可在多种介质中稳定传播的机械波，频率在10 kHz～1 MHz之间，由于是机械波，故波速取决于传播介质，可以在同一种介质中视为匀速传播。如今对于超声波的利用已经成熟，特别是超声测距的技术，如潜艇声纳系统、医用B超、工业超声测厚等。针对这项技术，稍加改进便可以用于测量空气中风速，甚至密度均匀的流体速度。并且拥有反应速度快、测量精度高、分辨率高等特点。超声波测量风速将成为今后的主流。

1 MSP430数字大气环境因素测量仪
风速测量原理：
(1)时差法测量风速。
超声波在空气中传播时，顺风与逆风方向传播存在速度差，当传播固定的距离时，利用时间差就可以得到速度差。
使用一组发射和接收在一起的超声模块放置在一端，另一端使用同样的模块探头相反放置，形成发射对接收的格局，如图1所示。

超声探头接收到的信号处理后得到一个时间值，在距离为d时探头1和探头2分别得到超声波在空气中顺风传递时间t12和逆风传递时间t21；待测风速为VW，超声波在空气中的速度为Vs。于是得


由此可得到一个方向上的风速值，所得风速与超声波没有直接关系，所以受到超声波衰减的影响较小。
(2)二维风速测量。
实际中需要测量的风速是一个矢量值，具有大小和方向信息，若只使用一组相对模块，则无法满足要求，于是在两个垂直方向上各放置一组模块，如图2所示。