在測風(fēng)的各種儀器之中，風(fēng)杯風(fēng)速計由于成本較低，使用比較方便，是使用歷史上比較常用的一種儀器。氮同時也存在著不少問題，例如這些機械裝置因具有移動部件而容易磨損，體積較大、需要經(jīng)常維護(hù)，且儀器支架和安裝支架對測量精度有著很大的影響。其機械結(jié)構(gòu)也會受到惡劣天氣的損害，機械是風(fēng)速風(fēng)向儀還存在啟動風(fēng)速，低于啟動值的風(fēng)速將不能帶動驅(qū)動螺旋槳或者風(fēng)杯進(jìn)行轉(zhuǎn)動，無法進(jìn)行測量。

         隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)的不斷發(fā)展，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀逐漸進(jìn)入大眾視野。它采用固態(tài)設(shè)計，利用超聲波在空氣中傳播速度受風(fēng)的影響來測量風(fēng)速，彌補了機械式風(fēng)速風(fēng)向儀的一些缺點，不存在機械磨損、阻礙、冰凍等問題，也不會發(fā)生“機械慣性”理論上是可以測量風(fēng)速范圍下限為0，不存在啟動風(fēng)速不足的問題；風(fēng)速上限可以根據(jù)傳感器間距進(jìn)行調(diào)整。

         在空氣中，超聲波的傳播速度根據(jù)風(fēng)方向上的空氣流動而改變。如果風(fēng)向和超聲波的傳播方向相同，就會提高聲波的傳播速度，反之則會減少聲波的速度。在一個固定的測量路徑中，在不同的風(fēng)速和風(fēng)向上疊加而成的聲波傳播速度會導(dǎo)致不同的聲波傳播時間。因而可以通過風(fēng)速風(fēng)量對超聲脈沖在固定路徑上兩個方向的輸送時間差進(jìn)行風(fēng)速測量。

         使用超聲波測量風(fēng)速風(fēng)向，其核心在于測量超聲波在空氣中傳播時間，即所謂的飛渡時間。超聲波從一個探頭傳送到另一個探頭所需要的時間是與風(fēng)速以及超聲通路相關(guān)。順風(fēng)將使超聲信號傳播時間遞增，逆風(fēng)將會使之遞減。如果風(fēng)速為零，信號雙向的傳輸時間相等。如果在兩個不相干方向上同時測量風(fēng)速，就可以通過三角學(xué)合成計算出風(fēng)速以及風(fēng)向。依次原理，超聲波風(fēng)速儀可僅僅使用三個探頭即可確定平面中的風(fēng)速分向。但是在實際設(shè)計中，由于涉及到信號強弱的問題，使用四個探頭的設(shè)計也較常見。

         對于特定風(fēng)向傳播，可選用收發(fā)一體的超聲波探頭，保證兩探頭距離不變，按東西或南北方向放置，以固定頻率順序發(fā)射超聲波，測量兩個方向上超聲波到達(dá)時間，由此得到順風(fēng)的傳播速度和逆風(fēng)的傳播速度，經(jīng)過系統(tǒng)處理換算即可得到風(fēng)速值。

         一般，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀包含三個發(fā)送和接收一體的超聲波傳感器，實現(xiàn)三維空間內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向的測量。測試儀具有環(huán)境溫度測試單元，由此測量并補償環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響。超聲波在空氣中傳播時，順風(fēng)與逆風(fēng)方向傳播的時間差與待測風(fēng)速具有線性關(guān)系。