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2.4.2 接收电路仿真分析 .. 13
2.5 小结 .. 15
3 超声风速测量系统发射和接收电路的 PCB设计 17
3.1 引言 .. 17
3.2 超声风速测量系统的PCB设计流程 . 17
3.2.1 绘制原理图 .. 17
3.2.2 器件封装选择 . 18
3.2.3 编译 19
3.2.4 生成PCB . 19
3.2.5 布线 20
3.3 超声风速测量电路PCB 板图 20
3.3.1 发射电路 20
3.3.2 接收电路 21
3.4 小结 .. 22
4 超声风速测量系统发射和接收电路的测试与分析 .. 23
4.1 引言 .. 23
4.2 实验仪器 23
4.3 超声风速测量系统电路的测试过程 .. 23
4.3.1 发射端测试 .. 23
4.3.2 接收端测试 .. 24
4.4 超声风速测量系统的测试结果.. 24
4.4.1 发射端.. 24
4.4.2 接收端.. 25
4.5 小结 .. 27
5 在设计过程中遇到的问题 .. 28
结 论 .. 29
致 谢 .. 30
参考文献 . 31
附录A 32
1 引言 1.1 风速测量系统分类和特性 风速是反应气象情况的重要参数，对环境监测、气候调节、工农业的生产有着重要影响，因此能够快速准确测量出风速具有重要的实际意义。常见的风速测量系统有风杯测试方法、热式风速测试方法、叶轮式风速测试方法、皮托管式风速测试方法、超声风速传感测试方法。其中超声风速传感测试方法是最为经典的，它具有测量精度高，使用寿命长，可靠性强，可测量瞬时风速、风向等优点。 1.1.1 风杯测试方法 风杯是目前广泛使用的检测器件，但是它具有体积大，易磨损，需要经常文护，价格昂贵等缺点。 1.1.2 热式风速测试方法 该方法在风速计中被广泛的使用，通过因风冷却时传感器产生电阻变化来测量风速。它携带容易、成本性能高，。 1.1.3 叶轮式风速测试方法 该方法常应用于气象观测等。与风车原理相同，通过测试叶轮的转数，测试风速。这种测量原理比较简单，且价格便宜，但测试精度较低，所以不适合微风速的测试和细小风速变化的测试。 1.1.4 皮托管式风速测试方法 该方法可作为高速域的风速校正来使用，通过测量与流动面形成直角的小孔内压力，测试风速。原理比较简单，价格便宜，但测量时小孔必须与流动面成直角，这一点不易实现，所以不适合一般使用。 1.1.5 基于MEMS加工技术的微型热流速传感器 该方法是近几年来热风速传感器研究的热点。基于 MEMS 加工技术的微型热流速传感器有价格低，体积小，产品一致性好等优点。但是，它使用硅衬底，而硅衬底具有高热导率，所以这类传感器也同时具有功耗较大，灵敏度较低的缺点。采用背面腐蚀或者正面腐蚀的方法形成绝热薄膜，可以提高灵敏度，克服这一缺点，但是结构易损坏，不利于后道工艺和封装。 1.1.6 热球式电风速计 该方法可用于测量低风速，测定室内外或模型的气流速度时都可使用。用在采暖、通风、空气调节、气象、农业、冷藏干燥、劳动卫生调查等各方面。本仪器由热球式传感器和测量仪表两部分组成。传感器的头部有一微小的玻璃球，球内烧有两个串连的热电偶和加热玻璃的镍铬丝线圈。热电偶的冷端连接在磷铜质的支柱上，直接暴露在气流中，当一定大小的电流通过加热线圈后，玻璃球被加热到一定温度，此温度和气流的速度有关，流速小时温度较高，反之温度较低。 1.1.7 超声风速传感器 该方式是最为经典的测量方式，通过测试传送一定距离的超声波因风速影响而产生的时间延迟，以此测量风速。具有结构简单、风速测量范围广、线性度高等优点。但超声波风速计传感器部分较大，在测试部周围，有可能发生紊流，使流动不规则，影响测量结果。 1.2 超声波风速测量系统的基本原理[1,2] 根据系统结构和计算方法的不同，超声风速仪检测方法又可分为：时差法、频差法、多普勒法、相关法等。其中时差法风速仪具有原理简单、结构简单、易于实现、适用范围广等优点。基于时差法设计和实现超声风速仪的关键在于如何提高测量的精度，有效降低环境等因素对其产生的影响，时差法风速仪原理如下所述。 时差法原理图如图 1.1 所示。超声波在空气中传播时，其传播速度会受风速的影响，与风速发生叠加或消减，产生顺风与逆风方向的速度差。在传播一定距离的情况下，速度差可以转换成时间差，而时间差与待测风速有线性关系。通过超声波传感器测得的时间差，可以转换得到速度差，从而计算出风速。首先将探头 A作为发射探头，探头 B 作为接收探头，检测得到1 个传播时间，然后将探头 B 作为发射探头，探头 A作为接收探头，得到相反方向上的另1 个传播时间。将两个过程列出方程式，可得到风速。