基于超聲測速技術的數(shù)字大氣環(huán)境因素測量儀

摘要 傳統(tǒng)的機械式風速測量儀受到諸多因素的影響和限制，已無法滿足現(xiàn)今測量領域的指標。而使用超聲波作為測量手段可以有效地提高測量精度、減少測量誤差、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，實現(xiàn)對空氣中風速的測量，并利用無線通信ZigBee技術實現(xiàn)通信交互。通過分析得出文中裝置測量精準、出風速度越大，測量越準確。
關鍵詞 風速測量；MSP430；超聲波傳感器；ZigBee

風速是重要的環(huán)境因素，對風速的測量意義重大。風速的測量，傳統(tǒng)方法是機械扇葉式的換能測量，這種方法因為受到機械摩擦和由于摩擦造成的溫度零飄等因素的影響，測量精度不能滿足現(xiàn)在測量系統(tǒng)的要求。
超聲波是一種可在多種介質(zhì)中穩(wěn)定傳播的機械波，頻率在10 kHz～1 MHz之間，由于是機械波，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。如今對于超聲波的利用已經(jīng)成熟，特別是超聲測距的技術，如潛艇聲納系統(tǒng)、醫(yī)用B超、工業(yè)超聲測厚等。針對這項技術，稍加改進便可以用于測量空氣中風速，甚至密度均勻的流體速度。并且擁有反應速度快、測量精度高、分辨率高等特點。超聲波測量風速將成為今后的主流。

1 MSP430數(shù)字大氣環(huán)境因素測量儀
風速測量原理：
(1)時差法測量風速。
超聲波在空氣中傳播時，順風與逆風方向傳播存在速度差，當傳播固定的距離時，利用時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)射對接收的格局，如圖1所示。

超聲探頭接收到的信號處理后得到一個時間值，在距離為d時探頭1和探頭2分別得到超聲波在空氣中順風傳遞時間t12和逆風傳遞時間t21；待測風速為VW，超聲波在空氣中的速度為Vs。于是得


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