本發(fā)明屬于風(fēng)能發(fā)電中的風(fēng)向測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超聲共振原理的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)力是綠色能源的重要來(lái)源，取之不盡用之不竭。據(jù)估計(jì)，地球上可用來(lái)發(fā)電的風(fēng)力資源約有100億千瓦，幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電量的10倍。用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要包括風(fēng)輪、尾舵、發(fā)電機(jī)和鐵塔。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率和安全取決于對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速風(fēng)向的準(zhǔn)確測(cè)量。因?yàn)檫^(guò)大風(fēng)速負(fù)載會(huì)造成機(jī)組結(jié)構(gòu)和發(fā)電線路的故障和耗損，而風(fēng)輪和風(fēng)向夾角與機(jī)電效率直接有關(guān)。因此準(zhǔn)確測(cè)量在各種條件下的風(fēng)速風(fēng)向是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全、高效率運(yùn)行的必要條件。

傳統(tǒng)機(jī)械風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件的機(jī)械磨損在壽命和精度方面都不能滿足現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電的要求。機(jī)械風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x在抗環(huán)境干擾方面，如去冰凍和抗腐蝕，也存在先天的局限性。

傳統(tǒng)超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x以風(fēng)對(duì)聲波傳播時(shí)間的影響為機(jī)理代替了過(guò)去的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)理，避免了儀器的機(jī)械磨損。但是超聲波在大氣中隨距離衰減和傳播時(shí)間的測(cè)量精度對(duì)超聲波傳播距離的依賴(lài)使得傳統(tǒng)超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x具有體積大，能耗高的缺點(diǎn)。

近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)利用超聲波在小空腔內(nèi)共振的物理機(jī)理，可以克服傳統(tǒng)超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x的缺點(diǎn)，可以做出體積小，效率高的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x。所以基于超聲共振原理設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置具有巨大的實(shí)用價(jià)值。然而如何通過(guò)超聲在共振腔內(nèi)的發(fā)射和接受來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)速風(fēng)向是超聲共振原理設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置的核心技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述，本發(fā)明提供了一種基于超聲共振原理的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法，為實(shí)現(xiàn)超聲共振測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向提供了核心技術(shù)。

一種基于超聲共振原理的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法，包括如下步驟：

(1)對(duì)于超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀腔體內(nèi)的任一對(duì)換能器，在無(wú)風(fēng)情況下測(cè)量該換能器對(duì)的相位差之差，并作為系統(tǒng)誤差；

(2)對(duì)于超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀腔體內(nèi)的任一對(duì)換能器，在有風(fēng)情況下測(cè)量該換能器對(duì)的相位差之差并利用系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，得到該換能器對(duì)連線方向上的實(shí)際相位差之差；

(3)取絕對(duì)值最大的實(shí)際相位差之差所對(duì)應(yīng)的一對(duì)換能器，計(jì)算該換能器對(duì)坐標(biāo)系下的風(fēng)向θ，該換能器對(duì)坐標(biāo)系以該換能器對(duì)連線方向?yàn)?°方向；

(4)將該換能器對(duì)坐標(biāo)系下的風(fēng)向θ轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系下的風(fēng)向進(jìn)而根據(jù)各換能器對(duì)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際相位差之差計(jì)算出風(fēng)速v。

所述的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀腔體內(nèi)等距設(shè)有三個(gè)換能器，三個(gè)換能器呈正三角形分布并可組合出三對(duì)換能器。

所述換能器對(duì)的相位差之差等于超聲波由換能器A發(fā)出被換能器B接收所產(chǎn)生的相位差Φ_BA減去超聲波由換能器B發(fā)出被換能器A接收所產(chǎn)生的相位差Φ_AB，換能器A和B組成該對(duì)換能器。

所述換能器對(duì)連線方向上的實(shí)際相位差之差等于有風(fēng)情況下該換能器對(duì)的相位差之差減去無(wú)風(fēng)情況下該換能器對(duì)的相位差之差。

所述的步驟(3)中首先將三對(duì)換能器所對(duì)應(yīng)的實(shí)際相位差之差依次標(biāo)記為γ₁、γ₂、γ₃，其中γ₂所對(duì)應(yīng)換能器對(duì)的連線方向比γ₁所對(duì)應(yīng)換能器對(duì)的連線方向大120°，γ₃所對(duì)應(yīng)換能器對(duì)的連線方向比γ₁所對(duì)應(yīng)換能器對(duì)的連線方向大240°；

若γ₁的絕對(duì)值最大，則γ₁所對(duì)應(yīng)換能器對(duì)坐標(biāo)系下的風(fēng)向θ₁表達(dá)式如下：

若γ₂的絕對(duì)值最大，則γ₂所對(duì)應(yīng)換能器對(duì)坐標(biāo)系下的風(fēng)向θ₂表達(dá)式如下：

若γ₃的絕對(duì)值最大，則γ₃所對(duì)應(yīng)換能器對(duì)坐標(biāo)系下的風(fēng)向θ₃表達(dá)式如下：

所述的步驟(4)中首先設(shè)定其中一換能器對(duì)的連線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)方向，若風(fēng)向θ所在換能器對(duì)坐標(biāo)系是以基準(zhǔn)方向?yàn)?°方向，則通過(guò)以下關(guān)系式將風(fēng)向θ轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系下的風(fēng)向

若γ＜0且0°≤θ≤90°，則

若γ＜0且-90°≤θ＜0°，則

若γ≥0，則

若風(fēng)向θ所在換能器對(duì)坐標(biāo)系的0°方向比基準(zhǔn)方向大120°，則通過(guò)以下關(guān)系式將風(fēng)向θ轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系下的風(fēng)向

若γ＜0且0°≤θ≤90°，則ψ＝θ；

若γ＜0且-90°≤θ＜0°，則ψ＝θ+360°；

若γ≥0，則ψ＝θ+180°；

進(jìn)一步判斷，若120°≤ψ≤360°，則若0°≤ψ＜360°，則

若風(fēng)向θ所在換能器對(duì)坐標(biāo)系的0°方向比基準(zhǔn)方向大240°，則通過(guò)以下關(guān)系式將風(fēng)向θ轉(zhuǎn)換成地球坐標(biāo)系下的風(fēng)向

若γ＜0且0°≤θ≤90°，則ψ＝θ；

若γ＜0且-90°≤θ＜0°，則ψ＝θ+360°；

若γ≥0，則ψ＝θ+180°；

進(jìn)一步判斷，若240°≤ψ≤360°，則若0°≤ψ＜240°，則其中：γ為絕對(duì)值最大的實(shí)際相位差之差，ψ為中間變量。

所述的步驟(4)中通過(guò)以下公式計(jì)算風(fēng)速v：

其中：α為風(fēng)速校準(zhǔn)常數(shù)。

本發(fā)明為超聲共振型風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量?jī)x提供了一種核心技術(shù)，它綜合校準(zhǔn)和判定等方法，為通過(guò)測(cè)量信號(hào)準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)際風(fēng)速和風(fēng)向提供了步驟和算法；本發(fā)明結(jié)合儀器的現(xiàn)狀設(shè)計(jì)和其他加熱控制機(jī)制，為做出體積小、效率高、氣候適應(yīng)性強(qiáng)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x奠定了核心基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的步驟流程示意圖。

圖2為腔體內(nèi)換能器對(duì)的位置示意圖。

圖3為各換能器對(duì)在無(wú)風(fēng)時(shí)相位差之差的示意圖。

圖4為風(fēng)向?yàn)榱愣葧r(shí)各換能器對(duì)在不同風(fēng)速下相位差之差的關(guān)系示意圖。

圖5為采用本發(fā)明測(cè)量得到的風(fēng)速結(jié)果與實(shí)際風(fēng)速結(jié)果的比較示意圖。

圖6為風(fēng)速儀標(biāo)定的零度方向與風(fēng)向成90度，在不同風(fēng)速下采用本發(fā)明測(cè)量得到的風(fēng)向結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明基于超聲共振原理的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法包括如下步驟：

步驟1：測(cè)量?jī)x傳感器對(duì)的空間分布。

整個(gè)測(cè)量過(guò)程是在一對(duì)上下平行的平板構(gòu)成的腔體內(nèi)完成的。腔體的其他方向與大氣接觸。構(gòu)成腔體的結(jié)構(gòu)外形盡量的對(duì)稱(chēng)，體積小。使對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響最小，可以正常地流過(guò)腔體。在一塊或兩塊平行平板內(nèi)嵌入超聲波換能器(超聲波由壓電元件耦合的振動(dòng)膜片，即超聲波換能器產(chǎn)生和接收)。換能器之間盡量等距離，腔體的平行平板至少裝有三個(gè)換能器。由圖2可知換能器呈三角形分布。在測(cè)量過(guò)程中時(shí)刻，均有一個(gè)換能器處于電激勵(lì)狀態(tài)，換能器膜片表面產(chǎn)生超聲波并向外傳播，直至到達(dá)另一側(cè)的平行平板進(jìn)行近似全反射。由此產(chǎn)生的波前向上運(yùn)行，到達(dá)上平板并再次反射。超聲波繼續(xù)在反射器之間反彈，直到在空氣中能量損失并充分衰減變?yōu)椴煌耆瓷?。測(cè)量?jī)x總共采用了三個(gè)超聲波傳感器，即壓電元件耦合的振動(dòng)膜片，三個(gè)超聲波傳感器外殼均為圓形，三個(gè)傳感器的圓心連線構(gòu)成一個(gè)等邊三角形，在圖2中，矢量13方向與矢量32方向與矢量21方向的夾角均為120度。

步驟2：測(cè)量?jī)x傳感器對(duì)相位的系統(tǒng)誤差。

在理想情況下，一對(duì)傳感器位置固定，外界環(huán)境保持不變。超聲波傳感器1發(fā)出的超聲波被超聲波傳感器2接收到，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)延，由此帶來(lái)相位差φ_B21。同理，超聲波傳感器2發(fā)出的超聲波被超聲波傳感器1接收到，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)延，由此帶來(lái)相位差φ_B12。在無(wú)風(fēng)情況下，不考慮傳感器和測(cè)量線路帶來(lái)的影響，φ_B21-φ_B12＝0。

但在實(shí)際情況中，無(wú)風(fēng)情況下，一對(duì)換能器，發(fā)射和接收對(duì)換，產(chǎn)生的相位差的差Δφ_B21,12＝φ_B21-φ_B12≠0為此我們?cè)诓煌h(huán)境溫度下，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)測(cè)量了大量無(wú)風(fēng)情況下的相位差的差的數(shù)據(jù)。圖六展示小部分?jǐn)?shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在無(wú)風(fēng)情況下各換能器對(duì)的相位差的差平均值，然后將作為系統(tǒng)誤差進(jìn)行相位補(bǔ)償；圖3表示的是無(wú)風(fēng)時(shí)系統(tǒng)典型相位差之差。

步驟3：有風(fēng)情況下傳感器對(duì)的相位差的差。

在圖2中，當(dāng)傳感器13矢量方向一個(gè)穩(wěn)定的風(fēng)(風(fēng)速為v,風(fēng)向?yàn)棣?sub>13)吹來(lái)時(shí)，超聲波由傳感器1傳輸?shù)絺鞲衅?產(chǎn)生與風(fēng)速風(fēng)向有關(guān)的相位差為φ₁₃。由傳感器3傳輸?shù)絺鞲衅?產(chǎn)生的與風(fēng)速風(fēng)向有關(guān)的相位差為φ₃₁。于是此時(shí)的相位差的差為：

其中，θ₁₃是換能器對(duì)13的方向與風(fēng)向的夾角，逆時(shí)針為正。同理，以下定義的θ₂₁和θ₃₂也分別是換能器對(duì)21，32的方向與風(fēng)向的夾角。圖4表示的是在固定角度下，三個(gè)方向上的相位差的差與風(fēng)速之間的關(guān)系。上式所示相位差的差包含風(fēng)速和風(fēng)向的信息。

需要強(qiáng)調(diào)的是相位差的差也是頻率的函數(shù)。超聲共振法測(cè)的相位差的差相應(yīng)于小腔內(nèi)與風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)的共振頻率。

步驟4：計(jì)算風(fēng)向的三種算法。

以平行平板中有三個(gè)超聲波換能器為例，每?jī)蓚€(gè)組合，互為發(fā)射接收，總共可以產(chǎn)生三個(gè)方向上的相位差的差，風(fēng)與三個(gè)方向的夾角不一樣，對(duì)相位差的差產(chǎn)生的影響也不一樣。三個(gè)方向上的相位差之差如下：

三個(gè)方向角θ₁₃、θ₂₁和θ₃₂都可以選作基準(zhǔn)角，角度計(jì)算后換算成我們規(guī)定的統(tǒng)一的校準(zhǔn)角度標(biāo)準(zhǔn)即可，所以計(jì)算風(fēng)向存在三種不同的算法：

風(fēng)向算法一：

風(fēng)向算法二：

風(fēng)向算法三：

在本發(fā)明的算法設(shè)計(jì)中，我們選取傳感器13方向?yàn)檩敵鲲L(fēng)向角，所以采用公式得到的θ₁₃即風(fēng)向角，利用另外兩組公式計(jì)算的風(fēng)速角θ₂₁和θ₃₂，需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換才能得到輸出風(fēng)向角。

步驟5：判斷選擇高精度算法的依據(jù)。

當(dāng)風(fēng)吹入測(cè)量?jī)x的腔體內(nèi)，風(fēng)向與換能器對(duì)的三個(gè)方向夾角各不相同，因此風(fēng)速在三個(gè)方向上的分量也有差別，在上文中有闡述相位差的差與風(fēng)速相關(guān)。因此三個(gè)方向上產(chǎn)生的相位差的差也有區(qū)別，當(dāng)風(fēng)速大小一定時(shí)，風(fēng)向與某換能器對(duì)的方向夾角越小(夾角越接近零度)，該方向上的相位差的差越大，風(fēng)向與某換能器對(duì)的方向夾角越接近垂直，該方向上的相位差的差越小。相位差的差越大，計(jì)算的風(fēng)向角的精度越高。因此我們?cè)谶x擇算法時(shí)的規(guī)則是：首先比較三個(gè)方向上的相位差的差，找到相位差的差絕對(duì)值最大的方向。然后選擇與絕對(duì)值最大的相位差的差相應(yīng)的算法。

例如，三個(gè)方向的相位差的差中，γ_31,13(v,θ₁₃)的絕對(duì)值最大，說(shuō)明風(fēng)向與換能器13方向最為接近，此時(shí)的風(fēng)向算法就采用公式(4)。如果三個(gè)方向的相位差的差中，γ_23,32(v,θ₃₂)的絕對(duì)值最大，則風(fēng)向算法就采用公式(5)。如果三個(gè)方向的相位差的差中，γ_12,21(v,θ₂₁)的絕對(duì)值最大，則風(fēng)向算法就采用公式(6)。

以下具體實(shí)施方式在測(cè)量?jī)x的平行平板內(nèi)放置三個(gè)超聲波傳感器，三個(gè)傳感器都具備發(fā)射與接受的功能。當(dāng)風(fēng)吹過(guò)腔體時(shí)，三個(gè)換能器依次發(fā)射與接受，具體過(guò)程為：首先換能器1發(fā)射，換能器3接收，接著換能器3發(fā)射，換能器1接收。接下來(lái)?yè)Q能器2發(fā)射，換能器3接收，接著換能器3發(fā)射，換能器2接收。然后換能器1發(fā)射，換能器2接收，最后換能器2發(fā)射，換能器1接收。換能器發(fā)射或者接收狀態(tài)的改變由外部芯片進(jìn)行控制，每一次發(fā)射或者接收狀態(tài)持續(xù)時(shí)間大約為11.2ms，時(shí)間非常短，遠(yuǎn)低于風(fēng)速風(fēng)向變化的時(shí)間常數(shù)，以保證測(cè)量過(guò)程中風(fēng)速風(fēng)向的穩(wěn)定性。

得到三個(gè)方向的相位差的差后，然后對(duì)算法通過(guò)相位差的差的絕對(duì)值大小進(jìn)行選擇。采用風(fēng)向角精度最大的算法。

為了計(jì)算和輸出方便，公式(1)、(2)和(3)的相位差之差重新定義為：

γ₁＝γ_31,13(v,θ₁₃) (7)

γ₂＝γ_23,32(v,θ₃₂) (8)

γ₃＝γ_12,21(v,θ₂₁) (9)

其中還定義：

θ₁＝θ₁₃ θ₂＝θ₃₂ θ₃＝θ₂₁ (10)

輸出的角度是以θ₁為準(zhǔn)。輸出算法首先比較γ₁，γ₂和γ₃的絕對(duì)值。選出相應(yīng)最大值的γ_max。

如果γ_max＝γ₁，用以下公式計(jì)算風(fēng)向角：

θ₁的范圍是可是用以上公式計(jì)算的角度輸出卻是在-90°≤θ₁≤90°。

如果γ₁＜0，以上公式計(jì)算的角度輸出角度要做以下變換：

如果0°≤θ₁≤90°，

如果-90°≤θ₁＜0°，

如果γ₁≥0，以上公式計(jì)算的角度輸出角度要做以下變換：

如果0°≤θ₁≤90°，

如果-90°≤θ₁＜0°，

如果γ_max＝γ₂，用以下公式計(jì)算風(fēng)向角：

同樣θ₂的范圍是0≤θ₂≤360°?？墒怯靡陨瞎接?jì)算的角度輸出卻是在-90°≤θ₂≤90°。我們同樣可以用公式(12)～(15)的判斷來(lái)決定的輸出。

因?yàn)楸却?20°，所以把轉(zhuǎn)換成輸出時(shí)要做以下變換：

如果

如果

最后，如果γ_max＝γ₃，用以下公式計(jì)算風(fēng)向角：

我們同樣可以用公式(12)～(15)的判斷來(lái)決定的輸出。

因?yàn)楸却?40°，所以把換成輸出時(shí)要做以下變換：

如果

如果

通過(guò)上述算法，即可獲得當(dāng)前風(fēng)向值。風(fēng)速的計(jì)算公式為：

其中，α為風(fēng)速校準(zhǔn)常數(shù)，它的獲得過(guò)程是，把空腔放入標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞中，使傳感器對(duì)13方向盡量與平行于風(fēng)洞中的風(fēng)向，然后記錄風(fēng)洞中的風(fēng)速V_o和相應(yīng)的相位差的差。然后計(jì)算校準(zhǔn)前的風(fēng)速：

最后校準(zhǔn)系數(shù)α由以下公式確定：

圖5所示了2015年11月初在浙江省樂(lè)清市貝良風(fēng)能電子有限公司35m/s風(fēng)洞里測(cè)量任一角度下的相位差的差計(jì)算的風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速(實(shí)線)的比較結(jié)果。結(jié)果表明測(cè)量的風(fēng)速與風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的誤差在15m/s以下時(shí)都小于±0.5m/s，大于15m/s時(shí)，誤差小于±4％。圖6所示了風(fēng)速儀標(biāo)定的零度方向與風(fēng)向成90度(垂直方向)，在不同風(fēng)速下通過(guò)測(cè)量得到的風(fēng)向結(jié)果，其誤差在±2°內(nèi)。

上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。