在測風的各種儀器之中，風杯風速計由于成本較低，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、需要經常維護，且儀器支架和安裝支架對測量精度有著很大的影響。其機械結構也會受到惡劣天氣的損害，機械是風速風向儀還存在啟動風速，低于啟動值的風速將不能帶動驅動螺旋槳或者風杯進行轉動，無法進行測量。

         隨著農業科學的不斷發展，超聲波風速風向儀逐漸進入大眾視野。它采用固態設計，利用超聲波在空氣中傳播速度受風的影響來測量風速，彌補了機械式風速風向儀的一些缺點，不存在機械磨損、阻礙、冰凍等問題，也不會發生“機械慣性”理論上是可以測量風速范圍下限為0，不存在啟動風速不足的問題；風速上限可以根據傳感器間距進行調整。

         在空氣中，超聲波的傳播速度根據風方向上的空氣流動而改變。如果風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，在不同的風速和風向上疊加而成的聲波傳播速度會導致不同的聲波傳播時間。因而可以通過風速風量對超聲脈沖在固定路徑上兩個方向的輸送時間差進行風速測量。

         使用超聲波測量風速風向，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速以及超聲通路相關。順風將使超聲信號傳播時間遞增，逆風將會使之遞減。如果風速為零，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速，就可以通過三角學合成計算出風速以及風向。依次原理，超聲波風速儀可僅僅使用三個探頭即可確定平面中的風速分向。但是在實際設計中，由于涉及到信號強弱的問題，使用四個探頭的設計也較常見。

         對于特定風向傳播，可選用收發一體的超聲波探頭，保證兩探頭距離不變，按東西或南北方向放置，以固定頻率順序發射超聲波，測量兩個方向上超聲波到達時間，由此得到順風的傳播速度和逆風的傳播速度，經過系統處理換算即可得到風速值。

         一般，超聲波風速風向儀包含三個發送和接收一體的超聲波傳感器，實現三維空間內風速和風向的測量。測試儀具有環境溫度測試單元，由此測量并補償環境溫度對超聲波傳播速度的影響。超聲波在空氣中傳播時，順風與逆風方向傳播的時間差與待測風速具有線性關系。