本研究的主要目的是设计一种通过测量超声波传播时间来测量风速的三维风速仪,即三维超声风速仪,并分析它的特性。同时,利用卡尔曼滤波算法估计平均风速风向,并对该方法的性能进行评价。　　为了实现上述目的,本文首先阐述了以煤矿道和服务器机房为应用环境的条件下,监测气流的速度和方向对环境、能源消耗和安全三个方面的重要性;接着,分析了几种目前常用的用于测量气流速度的仪表,并得出结论,即超声波测风法是最适用于室内环境监测的方法;然后描述了三维超声风速仪的设计过程;最后为了评价风速仪的工作性能,进行了一系列的标定实验。　　本文设计三维超声风速仪的过程包括:(1)设计并实现一个利用阈值监测方法测量传播时间的电子模块;(2)在现有的商业产品的结构基础上，制造并装配一支风速仪专用的固定架;(3)开发控制传感器的单片机嵌入式系统和用于数据采集与信息处理的图形用户界面软件。　　在标定过程中,利用了一个以11 m/s为最大测试速度的风洞设备进行实验。实验的过程包括:通过十六次标定实验获得固定架对传感器测量的影响,并以此作为补偿系数校准风速仪对气流速度和方向的测量结果;通过三次最终实验,评价已校准的风速仪的性能。标定和最终实验表明,可以利用本文设计的风速仪结合卡尔曼滤波算法,通过测量超声波的传播时间实现对室内平均风速和风向实时估计的目的。　　实验结果表明,所设计的风速仪的响应与相关文献给出的结果相符,能够用于对室内环境的风速和风向(三维)的测量。卡尔曼滤波算法的应用能够有效地提高风向测量的精度,并使得风速仪能够在高湍流气流的条件下递归地获得气流的平均速度。在参考风速为9 m/s和水平仰角小于15度的条件下,本文设计的风速仪以最大采样频率(20 Hz)工作时的风向测量精度为±(5°±1％FS),风速测量精度为±(0.8 m/s±4%FS)。