风速风向是气象要素的重要组成部分,在人类生产活动中占据着极其重要的地位。传统的风速测量方法和仪器,大多仅能测量二维风速。风速是一种三维矢量,三维测量得到的结果显然更精确,因此对三维风速测量的研究是非常必要的。在众多风速测量方法中,超声波测风因便于测量三维风速、响应快、耐久好和抗干扰强等优点,在测风领域逐渐成为主流。论文在对比分析各种超声波测风技术的基础上,采用时差法开展超声三维风速仪的设计和研制。首先,在广泛调研的基础上,基于时差法设计了超声波风速仪的三维结构,并对结构的一些关键参数进行了数学上的理论计算证明,该结构可以保证将任意方向的风矢量W分解为三对超声波传感器方向的风速矢量W1、W2、W3。并根据安装角度,开展了传感器坐标系和安装坐标系之间的坐标转换,最终得到行业默认的平面风VX、VY和垂直风Vz,并依此计算出水平风向角θh和俯仰角θv。其次,基于上述理论分析和方案结构,设计了传感器所需的硬件电路,包括高压驱动电路、信号切换电路、信号放大滤波电路、模数转换电路和处理器电路等。编写了对应的软件程序,包括超声波换能器控制、数据采集、数据处理和风速风向计算等。其中,在计算风速时,利用处理器较为强大的运算能力,使用了最小二乘法计算特征波形与实际测得波形的位移,极大的提升了测量精度。最后,完成整个三维超声波风速仪的组装。经过多次调试并改进优化硬件参数以及软件算法后,进行了传感器的测试分析。测试结果显示研制的风速仪可以在0～20m/s风速范围内的测量误差小于0.3m/s,20m/s～30m/s风速范围内测量误差小于3%。水平0～359°,垂直-90°～90°的风向范围内测量误差小于3°。以上测试结果表明本设计可以满足实际生活生产需要,具有较高的使用价值。它以较低的成本实现了国内公司研究少,国外公司售价高的三维超声波风速仪,并且各项性能参数可以满足实际使用要求。