专利名称：四面体结构超声风传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及自然风场的测量装置，具体涉及一种四面体结构超声风传感器。
背景技术：
利用超声风传感器测量风速的优势在于不含运动部件，环境适应性好，测量范围 广，并且没有最低测量风速的限制。已有的经典结构的三维超声风传感器，都是由三对(六 只)超声波探头构建三维测量风场。上述超声波探头为基本测量单元，其内部包含有压电 晶片，用于发射和接收固定频率的超声波，发射时压电晶片将电能转换为机械振动而产生 超声波，接收时压电晶片将超声波产生的机械振动转换为电能。其超声波探头前端的散射 罩为平面圆形，每一对探头的散射罩彼此正对，使超声波探头可以互相收发超声波，构成一 条测量路径，而且三条路径构成三维正交坐标系(三维笛卡尔坐标系)。通过测量超声波在 每条路径上来回传播的时间差，计算矢量风在三条路径上的分量，再经过矢量合成的运算， 得到标准坐标系下的三维风速。基于这种结构的超声风传感器存在几项缺点，首先是它必须使用六只超声波探 头，一方面增加了成本和结构的复杂度。另一方面故障率较高。只要任何一只探头发生故 障，测量结果无效，传感器损坏无法使用。另外，由于三条测量路径都不在水平方向上，也不在竖直方向上，因此要得到标准 坐标系(XY-平面平行于水平面的三维笛卡尔坐标系)下的X，Y，Z三轴分量，必须经过复杂 的空间几何运算而增加了计算的难度。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种四面体结构超声风传感器，以弥补现有技术的不 足。本实用新型的技术方案包括支座与底座上的超声波探头，以及支座和底座间的支 架，和位于底座下方的控制舱，其特征在于在支座上垂直设有一只超声波探头，在底座上设 有三只超声波探头；且上述四只超声波探头的顶端面的四个中心点，是空间四面体的四个 顶点。或者上述四面体结构超声风传感器，是在底座上垂直设有一只超声波探头，在支 座上设有三只超声波探头。上述安装在支座或底座上的三只超声波探头的顶端面的中心点所确定的平面平 行于水平面。上述以四只超声波探头的顶端面中心点为四个顶点的四面体，可以为正四面体， 直角四面体，或其它的四面体。为了更好地发散超声波以及保护超声波探头的压电晶片，在超声波探头顶端设有 陶瓷材质的散射罩，其表面形状为球冠面，并且散射罩的底面与超声波探头的顶端面重合。利用上述四面体结构超声风传感器测量风速的方法是首先以支座或底座上的三个中心点所在的水平面为XY-平面，以XY-平面内的一个中心点为坐标系原点0，以一条 XY-平面内过原点0的路径为X轴，在XY-平面内过原点0作X轴的垂线为Y轴，过原点0 作XY-平面的的垂线为Z轴，X、Y、Z三轴按照右手定则的指向建立一个标准坐标系；在标准 坐标系下测量声波在风场中沿每条测量路径正反两个方向上传播的时间差，以声速和时间 表达每条路径上的风速分量，然后利用两条水平面内的路径上的风速分量合成XY-平面上 的二维风速，再用该二维风速与XY-平面外过原点0的风速分量合成三维风速矢量，分解该 矢量，即得到标准坐标系下的X，Y，Z三轴风速分量。本实用新型与现有技术相比的有益效果是将超声波探头的数量由六只减少为四 只。由于探头数量的减少，既精简了传感器结构，又降低了成本和故障率。本实用新型设计 的一种带有球冠面散射罩的超声波探头，具有良好的曲面发散性，将测量路径由三条增加 为六条，其中有三条测量路径位于XY-平面上，大大地简化了计算标准X，Y，Z三轴风速分量 的复杂度。

图1本实用新型的底座上安装三只超声波探头的传感器示意图。图2本实用新型的支座上安装三只超声波探头的传感器示意图。图3本实用新型的超声波探头、及其顶端面上的中心点示意图。图4本实用新型的测量方法示意图。其中，1、超声波探头，2、支架，3、支座，4、底座，5、控制舱，6、散射罩，7、中心点，8四面体。
具体实施方式
如图1、2和4，本实用新型包括支座3与底座4上的超声波探头1，以及支座3和 底座4间的支架2，和位于底座4下方的控制舱5，其特征在于在支座3上垂直设有一只超 声波探头1，且在底座4上设有三只超声波探头1，且上述四只超声波探头1的顶端面的中 心点7，是空间四面体8的四个顶点。或者上述四面体结构超声风传感器，是在底座4上垂直设有一只超声波探头1，在 支座3上设有三只超声波探头1。上述安装在底座4或者支座3上的三只超声波探头1的顶端面的中心点7所确定 的平面平行于水平面。上述以四只超声波探头1的顶端面中心点7为四个顶点的四面体8，可以为正四面 体，直角四面体或其它的四面体。如图3，上述超声波探头1为本实用新型的基本测量单元，可以发射和接收固定频 率的超声波，是已有的市售产品。为了更好地发散超声波以及保护超声波探头1的压电晶 片，在超声波探头1顶端设有陶瓷材质的散射罩6，其表面形状为球冠面，并且散射罩6的底 面与超声波探头1的顶端面重合。如图1、2，上述支架2为三条夹角互成120度的刚性装置，用于固定支座3 ；支架2 的两端分别固定于支座3和底座4上，内部空间用于电气走线。这是一种已有的成熟支架 结构，可以尽量减弱遮挡效应对测量的影响。[0024]上述控制舱5采用已有的成熟电路，是本实用新型的电路控制部件，用于产生、发 射、接收超声波信号，并经分析计算得到测量结果。如图4，本实用新型中包含四只超声波探头，两两可以互相收发超声波，所以本实 用新型所述的传感器共有a，b，c, d，e, f六条测量路径。如图4，本实用新型的测量方法以底座4上的超声波探头1的三个中心点7所在 的水平面为XY-平面，以XY-平面内一个中心点7为坐标系原点0，以一条XY-平面内过原 点0的路径为X轴，过原点0在XY-平面内作X轴的垂线为Y轴，过原点0作XY-平面的的 垂线为Z轴，X，Y，Z三轴的指向按照右手定则建立一个标准坐标系；然后经由控制舱5控制 一对探头互相收发超声波，计算风速在每条路径上来回传播的时间差，以时间和声速来表 达每条路径上的风速分量。然后如图4获得X、Y、Z三轴的风速分量如下从原点0出发的三条测量路径中， 路径a，b位于XY-平面之内，其中路径a是X轴，a上的风速分量即为X轴风速分量，合成 a,b上的风速分量得到XY-平面上的二维风速矢量。以该矢量的终点为垂足作XY-平面的 垂线。从原点0出发的路径c位于XY-平面之外，以c上的风速分量矢量的终点为垂足，作 路径c的垂面，上述垂线和垂面必有一个交点，从原点0出发指向这个交点的矢量就是所要 测量的三维风速矢量。分解该矢量得到Y轴和Z轴风速分量，即可完成标准坐标系下的三 维风速的测量。本实用新型的设置在支座3和底座4上的四只超声波探头1的四个中心点7所确 定的四面体8，是适用于各种四面体。尤以正四面体和直角四面体结构在测量和计算时最为 简便，下述实施例作进一步说明实施例1以正四面体为例将四个超声波探头1布设在正四面体的顶点处，即四个超声波探头1的散射罩6 的底面中心点7确定的四面体8为正四面体。正四面体是指四面体的四个侧面均为正三角 形，六条边相等，所有顶点夹角均为60度。如图4，保持一个侧面水平，以其为XY-平面，以 该平面内的一个顶点为原点0，以一条从原点0出发的水平路径为X轴，按照本实用新型所 述的方法建立标准坐标系。正四面体具有很好的空间对称性，并且其各条路径夹角相等，因 此在计算XY-平面内的二维风速、三维风速、和X，Y，Z三轴风速分量时，为矢量的空间几何 运算带来了方便。实施例2以直角四面体为例将四个超声波探头1布设在直角四面体的顶点处，即由四个超声波探头1的散射 罩6的底面中心点7确定的四面体8为直角四面体。直角四面体是指四面体有一个直角顶 点，包含直角顶点的三个直角侧面两两垂直。因此，以一个直角侧面为XY-平面，以直角顶 点为原点0，以从原点0出发的一条直角边为X轴，另外两条直角边为Y轴和Z轴，建立标 准坐标系。如图4，即从原点出发的三条测量路径a，b，c，恰好与标准坐标系的X，Y，Z轴重 合。按照本实用新型所述的测量方法得到这三条路径上的风速分量，即为标准X，Y，Z三轴 风速分量。合成X，Y，Z三轴风速分量即得到要测量的三维风速。本实施例通过三条路径上 的风速分量而直接得到X、Y、Z三轴风速分量，从而完全省去了矢量分解的运算。
权利要求一种四面体结构超声风传感器，包括支座(3)与底座(4)上的超声波探头(1)，以及支座(3)和底座(4)间的支架(2)，和位于底座(4)下方的控制舱(5)，其特征在于在支座(3)上垂直设有一只超声波探头(1)，在底座(4)上设有三只超声波探头(1)；且上述四只超声波探头(1)的四个顶端面的四个中心点(7)，是空间四面体(8)的四个顶点。
2.—种四面体结构超声风传感器，包括支座(3)与底座(4)上的超声波探头(1)，以及 支座⑶和底座⑷间的支架(2)，和位于底座⑷下方的控制舱(5)，其特征在于在底座(4)上垂直设有一只超声波探头(1)，在支座(3)上设有三只超声波探头(1)；且上述四只 超声波探头(1)的四个顶端面的四个中心点(7)，是空间四面体(8)的四个顶点。
3.如权利要求1或2所述的四面体结构超声风传感器，其特征在于在支座(2)上或底 座(3)上的三只超声波探头(1)的顶端面的中心点(7)所确定的平面平行于水平面。
4.如权利要求1或2所述的四面体结构超声风传感器，其特征在于上述以四只超声波 探头(1)的四个顶端面中心点(7)为四个顶点的四面体(8)，是正四面体、直角四面体，或其 它的四面体。
5.如权利要求1或2所述的四面体结构超声风传感器，其特征在于上述超声波探头 (1)的顶端设有散射罩(6)，该散射罩(6)表面为球冠面，且散射罩(6)的底面与超声波探 头(1)的顶端面重合；所述的散射罩(6)是陶瓷罩。专利摘要本实用新型涉及一种四面体结构超声风传感器，包括支座与底座上的超声波探头，以及支座和底座间的支架，和位于底座下方的控制舱，其特征在于在支座或者底座上垂直设有一只探头，且在底座或者支座上设有三只探头，且上述四只超声波探头的顶端面的四个中心点，是空间四面体的四个顶点；或者是在底座上垂直设有一只超声波探头，在支座上设有三只超声波探头；安装在支座或底座上的三只超声波探头的顶端面的中心点所确定的平面平行于水平面，上述四面体可以是正四面体，直角四面体或其它的四面体。本实用新型将探头数由六只减少为四只，既精简了传感器结构，又降低了成本和故障率；且将测量路径由三条增加为六条，大大地简化了计算风速的复杂度。
文档编号G01P5/24GK201662580SQ201020128819
公开日2010年12月1日 申请日期2010年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者刘世萱, 刘海丰, 刘雷, 李民, 王晓燕, 郭发东, 齐勇 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所