基于超聲測(cè)速技術(shù)的數(shù)字大氣環(huán)境因素測(cè)量?jī)x

摘要 傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速測(cè)量?jī)x受到諸多因素的影響和限制，已無(wú)法滿足現(xiàn)今測(cè)量領(lǐng)域的指標(biāo)。而使用超聲波作為測(cè)量手段可以有效地提高測(cè)量精度、減少測(cè)量誤差、降低功耗。系統(tǒng)采用MSP430作為處理核心，利用超聲波的特性，使用超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中風(fēng)速的測(cè)量，并利用無(wú)線通信ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信交互。通過分析得出文中裝置測(cè)量精準(zhǔn)、出風(fēng)速度越大，測(cè)量越準(zhǔn)確。
關(guān)鍵詞 風(fēng)速測(cè)量；MSP430；超聲波傳感器；ZigBee

風(fēng)速是重要的環(huán)境因素，對(duì)風(fēng)速的測(cè)量意義重大。風(fēng)速的測(cè)量，傳統(tǒng)方法是機(jī)械扇葉式的換能測(cè)量，這種方法因?yàn)槭艿綑C(jī)械摩擦和由于摩擦造成的溫度零飄等因素的影響，測(cè)量精度不能滿足現(xiàn)在測(cè)量系統(tǒng)的要求。
超聲波是一種可在多種介質(zhì)中穩(wěn)定傳播的機(jī)械波，頻率在10 kHz～1 MHz之間，由于是機(jī)械波，故波速取決于傳播介質(zhì)，可以在同一種介質(zhì)中視為勻速傳播。如今對(duì)于超聲波的利用已經(jīng)成熟，特別是超聲測(cè)距的技術(shù)，如潛艇聲納系統(tǒng)、醫(yī)用B超、工業(yè)超聲測(cè)厚等。針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)，稍加改進(jìn)便可以用于測(cè)量空氣中風(fēng)速，甚至密度均勻的流體速度。并且擁有反應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、分辨率高等特點(diǎn)。超聲波測(cè)量風(fēng)速將成為今后的主流。

1 MSP430數(shù)字大氣環(huán)境因素測(cè)量?jī)x
風(fēng)速測(cè)量原理：
(1)時(shí)差法測(cè)量風(fēng)速。
超聲波在空氣中傳播時(shí)，順風(fēng)與逆風(fēng)方向傳播存在速度差，當(dāng)傳播固定的距離時(shí)，利用時(shí)間差就可以得到速度差。
使用一組發(fā)射和接收在一起的超聲模塊放置在一端，另一端使用同樣的模塊探頭相反放置，形成發(fā)射對(duì)接收的格局，如圖1所示。

超聲探頭接收到的信號(hào)處理后得到一個(gè)時(shí)間值，在距離為d時(shí)探頭1和探頭2分別得到超聲波在空氣中順風(fēng)傳遞時(shí)間t12和逆風(fēng)傳遞時(shí)間t21；待測(cè)風(fēng)速為VW，超聲波在空氣中的速度為Vs。于是得


由此可得到一個(gè)方向上的風(fēng)速值，所得風(fēng)速與超聲波沒有直接關(guān)系，所以受到超聲波衰減的影響較小。
(2)二維風(fēng)速測(cè)量。
實(shí)際中需要測(cè)量的風(fēng)速是一個(gè)矢量值，具有大小和方向信息，若只使用一組相對(duì)模塊，則無(wú)法滿足要求，于是在兩個(gè)垂直方向上各放置一組模塊，如圖2所示。