两款迷你超声波风速仪性能对比研究 ——基于风洞测试的实验分析

摘要：超声波风速仪凭借无机械磨损、高可靠性、高响应速度等优势，已成为气象监测、工业安全、智慧农业等领域的核心测风设备。本文以西班牙某国际知名品牌的ULP和HB-WS两款迷你型超声波风速仪为研究对象，首先对比分析了两款设备的物理尺寸、重量、基础技术参数等硬件特性，随后基于标准化风洞测试数据，从风速测量准确性、动态稳定性、全风速段响应特性三个核心维度开展了系统的对比实验研究。结果表明：HB-WS在轻量化、低功耗、高风速适配性上具备显著优势，其重量仅为ULP的26.5%，可覆盖0-60m/s的飓风级风速场景；ULP在低风速段的测量精度表现优异，风向测量精度可达±1°，更适配静态气象站等低风速为主的应用场景。两款设备在全风速段均具备良好的线性响应特性，HB-WS的整体风速波动稳定性优于ULP，其变异系数在各测试风速段均低于0.021，最低仅为 0.00216。本文的研究结果可为不同场景下的风速仪选型与应用提供科学的实验依据。

关键词：超声波风速仪；风洞测试；性能对比；风速稳定性

1 引言

风速作为大气环境监测的核心气象要素，其精准、稳定的测量对气象预报、灾害预警、工业安全管控、智慧农业生产等领域具有至关重要的意义[1]。传统机械式风速仪因存在机械磨损、易受沙尘/雨雪影响、维护成本高等缺陷，已逐步被超声波风速仪所替代[2]。超声波风速仪基于声波传播时间差原理实现风速风向的非接触式测量，具备无机械部件、零磨损、免维护、响应速度快等核心优势，近年来在便携式、迷你化测风场景中得到了广泛应用[3]。

目前，国内外市场上主流的迷你型超声波风速仪产品众多，不同产品在硬件设计、测量性能、环境适配性上存在显著差异，给用户的选型与应用带来了一定的困扰。西班牙某国际知名品牌的ULP（后文简写为ULP）是国外主流的超低功耗超声波风速仪产品，HB-WS是国内正图推出的超迷你型超声波风速仪，两款产品均面向便携式、野外长期监测场景设计，但其核心性能参数与实际测试表现尚未有系统的对比研究。

本文的核心研究目的在于：

1）系统对比两款设备的物理参数、硬件设计、基础技术指标；

2）基于标准化风洞测试数据，定量分析两款设备在不同风速段的测量准确性、动态稳定性、响应特性；

3）结合测试结果，明确两款设备的优劣势与适用场景，为工程应用中的设备选型提供科学的实验支撑。

2 实验设备与测试方案

2.1 测试设备基础参数

本次研究的两款测试设备分别为西班牙某国际知名品牌的ULP（以下简称“ULP”）和HB-WS迷你超声波风速仪（以下简称“HB-WS”），两款设备的核心基础参数如表1所示。

表1 两款测试设备参数对比

从硬件参数对比可以看出，两款设备均采用了超声波换能器设计，无机械运动部件，具备免维护、长寿命的核心优势。

图 1两款设备的实拍图（左为HB-WS，右为ULP）

HB-WS在轻量化、小型化上具备显著优势，其体积略小于ULP，重量仅为后者的26.5%，更适配无人机、便携式监测设备等对重量要求严苛的场景；同时HB-WS的风速测量上限提升至60m/s，可覆盖飓风级风速场景，高风速适配性更强。ULP则在风向测量精度上表现更优，风向测量精度可达±1°，同时在低功耗设计上更为极致，1Hz采样下的工作电流仅为0.15mA，更适合野外无供电条件下的长期续航监测。

2.2 风洞测试方案

本次测试在标准化风洞实验室中开展，测试环境温度为25℃±2℃，大气压为101.3kPa，测试前所有设备均按照厂家要求完成校准与预热，确保测试结果的准确性。

图2 设备放置于标准化风洞中（左为HB-WS，右为ULP）

2.2.1 测试参考标准

测试采用经过国家计量院校准的皮托静压管和微差压计作为参考标准设备，其风速测量不确定度为±0.01m/s，确保测试基准的溯源性。

2.2.2 测试风速区间

为全面覆盖两款设备的测量范围，本次测试设置了7个标准风速测试点，对应标准风速分别为5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s，同时补充了50m/s和55m/s的高风速段专项测试，完整覆盖两款设备的全测量范围。

2.2.3 测试指标与数据采集

本次测试的核心指标包括：

1.风速测量准确性：对比两款设备在不同风速点的测量平均值与参考标准值的偏差，计算相对误差与绝对误差；

2.风速动态稳定性：计算不同风速点下两款设备的风速最大值、最小值、极值波动差值、整体波动百分比、标准差、变异系数，定量评估设备的抗干扰能力与数据稳定性；

3.全风速段响应特性：分析两款设备在全风速区间的线性响应一致性，评估设备对风速变化的跟随能力。

每个风速点的采样时长为120s，采样频率为1Hz，每个测试点连续采集120组有效数据，确保测试数据的统计显著性。

3 风洞测试结果与分析

3.1 风速测量准确性对比分析

风速测量准确性是风速仪的核心性能指标，直接决定了测量数据的可靠性。本次测试中，两款设备在7个标准风速点的测量结果与参考值的对比如表2 所示。

表2 两款设备不同风速点测量准确性对比

从测试结果可以看出，两款设备在不同风速段的准确性表现呈现出明显的分段特征：

1.低风速段（5m/s左右）：两款设备的测量准确性均表现优异，相对误差均控制在±0.5%以内。其中设备A的相对误差仅为+0.02%，与参考值几乎完全一致；HB-WS的相对误差为+0.38%，同样处于极高的精度水平。

2.中低风速段（10m/s左右）：HB-WS的测量准确性显著优于设备A，其相对误差仅为+0.86%，与参考值偏差极小；而设备A的相对误差达到-4.00%，存在明显的负向偏差，是全风速段中偏差最大的点位。

3.中高风速段（20m/s-40m/s）：两款设备的测量准确性均大幅回升，相对误差均控制在±0.3%以内，表现出极高的测量精度。其中设备A在20m/s、30m/s风速点的相对误差接近0，HB-WS在该区间内的相对误差也始终保持在±0.3%以内，两款设备的准确性表现均处于优异水平。

4.高风速段（50-55m/s）：设备A因测量上限限制，无法输出有效测量数据；而HB-WS在该区间内仍能保持稳定的测量输出，相对误差控制在±0.4%以内，完全符合厂家标称的精度指标，展现了优异的高风速适配能力。

3.2 风速动态稳定性对比分析

风速动态稳定性是评估风速仪抗环境湍流干扰、输出数据一致性的核心指标，本文采用标准差、变异系数、极值波动差值三个核心参数进行定量评估。仅5~40 m/s为两款设备共同有效测试区间；50、55m/s仅HB-WS存在测试数据，两款设备稳定性参数对比如表3 所示。

表3 两款设备不同风速点动态稳定性参数对比

从测试结果可以清晰看出，HB-WS的整体动态稳定性显著优于ULP，具体表现为：

1.标准差与变异系数：在除5m/s外的所有测试风速点，HB-WS的标准差均低于ULP，变异系数仅为ULP的20%-60%，说明HB-WS的测量数据离散程度更低，数据一致性更好。在10m/s风速点，HB-WS的变异系数仅为0.00563，而ULP为0.02764，HB-WS的稳定性提升了79.6%，优势极为显著。

2.极值波动差值：在所有有有效数据的测试风速点，HB-WS的风速极值波动差值均小于等于ULP，在10m/s、40m/s风速点，HB-WS的波动差值仅为ULP的1/3左右，说明HB-WS对风速瞬时波动的抑制能力更强，输出数据更平稳。

3.稳定性随风速变化趋势：设备A的标准差随风速提升持续升高，从5m/s的0.069上升至40m/s的0.232，中高风速下数据稳定性明显衰减；HB-WS标准差增幅平缓，5~40m/s稳定维持在0.057~0.123区间。同时ULP不具备50m/s以上超高风速测量能力，无法评估其超高风速稳定性；HB-WS可完整完成50、55m/s超高风速测试，即便风速大幅提升，仍能维持可控的数据波动。

3.3 全风速段响应特性对比分析

为评估两款设备对风速变化的跟随能力与线性响应特性，分两段开展线性回归分析：5~40m/s为两款设备共有有效量程，50~55m/s仅HB-WS具备测试数据，无ULP对应样本，无法开展同区间对比。两款设备共有量程内线性回归结果如表4 所示。

表4 两款设备全风速段线性响应特性对比

从共有量程（5~40m/s）线性回归结果可以看出，两款设备在自身有效测量区间内均具备优异线性响应，决定系数R²均无限接近1，测量值与标准风速存在极强线性相关，对风速变化跟随性良好。其中HB-WS决定系数R²=0.9999，略高于ULP的0.9997，线性一致性更优。

从量程完整性角度分析，ULP测量上限仅40m/s，无法覆盖50~55m/s超高风速工况，缺少该区间线性响应数据；HB-WS测量量程覆盖5~55m/s全梯度风速，高低风速区间线性表现统一，量程适配范围更广，在台风、强风等超高风速场景下具备不可替代的使用优势。

4 综合性能评价

4.1 综合性能评价

结合硬件参数与风洞测试结果，两款设备的核心优劣势总结如下：

4.1.1 HB-WS 核心优势

1.轻量化与小型化：重量仅53g，体积Φ66×64mm，是目前市场上体积最小、重量最轻的超声波风速仪之一，安装灵活度极高；

2.高风速适配能力：测量量程覆盖0~60m/s，可满足强风、飓风类工况测试需求；实测50m/s、55m/s超高风速区间可稳定输出有效数据，而ULP量程上限仅 40m/s，无法完成超高风速测量；

3.优异的动态稳定性：在两款设备共有测试区间5~40m/s内，HB-WS标准差、变异系数整体低于ULP，数据离散程度更小，面对气流湍流、瞬时阵风波动抑制效果更好；

4.低功耗设计：待机功耗仅0.08W，支持太阳能或电池长期续航，野外配性强。

4.1.2 ULP 核心优势

1.极致的低功耗设计：1Hz采样频率下工作电流仅0.15mA，功耗控制处于行业领先水平，在无外接供电、依靠小型电池长期连续监测场景下更具优势；

2.优异的风向测量精度：ULP风向测量标称精度可达±1°，相较于HB-WS型设备标称±3°的风向测量精度具备明显优势，对风向细微变动具备更灵敏的捕捉能力。需说明的是，本次对比试验仅针对风速指标开展实测分析，未设计风向维度对照实验；±1°与±3°均为两款设备出厂标定技术参数，本研究未通过试验对该参数进行实测核验。

3.低风速上限的测量精度：在自身有效量程5~40m/s区间内，除10m/s存在明显负偏差外，5、20、30、40m/s风速点测量误差均控制在±0.3%以内，低、中高常规风速下测量准确度表现良好。

5 结论

本文通过对ULP和HB-WS两款迷你型超声波风速仪的硬件参数对比与标准化风洞测试分析，系统评估了两款设备的性能，主要研究结论如下：

1.硬件结构与量程层面：HB-WS轻量化、小型化、环境适应性、测风量程优势显著，整机重量远低于ULP，测量上限可达60m/s，可覆盖40m/s以上超高风速工况；ULP优势集中在超低功耗、风向测量精度，更适用于仅涉及40m/s以内常规低、中风速的静态监测场景。

2.风洞测量准确性层面：二者共有5~40m/s测试区间内，HB-WS仅在5m/s工况精度略逊于ULP，其余风速点测量误差整体控制更稳定；ULP在10m/s出现最大负偏差-4.00%，且受量程限制，无法开展50m/s、55m/s超高风速测试，不存在高风速段测量能力。

3.动态稳定性上：5~40m/s 全对比区间中 HB-WS 数据稳定性全面优于ULP，多数工况变异系数仅为ULP 20%~60%，风速瞬时波动抑制能力更强；ULP数据离散度随风速升高持续增大，中高风速下稳定性衰减明显。

4.线性响应特性层面：两款设备在各自有效量程内均具备优秀线性相关性，HB-WS决定系数R²=0.9999，高于ULP的0.9997，全量程测量线性一致性更佳，且线性适配范围更广。

本文的研究结果可为不同应用场景下的风速仪选型提供科学的实验依据，用户可根据自身的场景需求、重量限制、风速范围、续航要求等核心指标，选择适配的设备产品。

参考文献

[1] 张兆鑫，李建明，王健。超声波风速仪的发展现状与关键技术 [J]. 气象科技，2020, 48 (3): 321-327.

[2] 刘春，赵伟，黄静。机械式与超声波式风速仪的性能对比研究 [J]. 工业仪表与自动化装置，2018, (4): 123-126.

[3] 国家气象计量站。风速仪校准规范 [JJG 613-2019][S]. 北京：中国计量出版社，2019. 

[4] Calypso Instruments. ULP Pro Ultrasonic Wind Meter User Manual [R]. 2023.