基于DDS技術的礦用風速傳感器設計

苗可彬

(1.煤炭科學技術研究院有限公司， 北京　100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京　100013； 3.北京市煤礦安全工程技術研究中心， 北京　100013)

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基于DDS技術的礦用風速傳感器設計

苗可彬1,2,3

(1.煤炭科學技術研究院有限公司， 北京100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013； 3.北京市煤礦安全工程技術研究中心， 北京100013)

摘要：針對現有煤礦井下用風速傳感器工況條件差、性能易下降的問題，設計了一種基于DDS技術的礦用風速傳感器。該傳感器采用DDS技術設計了具有高穩定性諧振頻率的超聲波振蕩電路，利用卡曼渦街原理實現了風速值實時、精準的測量。試驗結果表明，該風速傳感器可靠性高，測量誤差較小，抗干擾性強。

關鍵詞：礦用風速傳感器； DDS； 卡曼渦街； 抗干擾

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1456.004.html

0引言

在煤礦井下安全監控系統中，風速是重要的檢測參數之一。風速傳感器是實現礦井通風的重要組成部分。礦用風速傳感器按其原理可分為葉輪式、熱線式和超聲波式風速傳感器。葉輪式和熱線式風速傳感器易受井下水蒸汽和煤塵的影響，可靠性不夠高，相比而言超聲波式風速傳感器具有易維護、可靠性較高的優勢[1-2]。

對于超聲波式風速傳感器來說,其性能可靠性主要由超聲波振蕩電路諧振頻率決定。目前，超聲波振蕩電路大部分為自激振蕩電路,諧振頻率的調整通過改變阻容值實現。在井下工況較差的地方,濕度較高，傳感器長時間工作后其振蕩電路諧振頻率會發生變化，從而導致傳感器的性能大大下降；另外,超聲波振蕩電路一般都有一個最佳頻率工作點,傳統的超聲波振蕩電路都是靠手工調整頻率來尋找最佳工作頻率點,嚴重影響了產品的生產效率,造成生產瓶頸[2]。

為此，筆者設計了一種基于DDS(Direct Digital Synthesis，直接數字頻率合成)技術的礦用超聲波旋渦式風速傳感器。該傳感器利用卡曼渦街原理測量風速值，在超聲波振蕩電路的設計上采用DDS技術，保證了超聲波振蕩電路諧振頻率的穩定性[3-4]，實現了風速值實時、高可靠性測量。

1風速傳感器工作原理

風速傳感器工作原理如圖1所示。根據卡曼渦街原理，在流體中插入一個非流線阻力體，當雷諾系數在一定范圍內，在阻力體下游將產生2列交替出現的旋渦列，稱為卡曼渦街，其旋渦頻率與流體的流速成正比[5]。傳感器的超聲波振蕩器產生等幅超聲波信號，該信號加到發射換能器上，并向空氣中發射超聲波。此時，接收換能器接收到被旋渦調制的超聲波信號,該超聲波信號經處理后變成對應的脈沖信號，經過歸一化處理及線性補償后即可得到實際風速值。

圖1　風速傳感器工作原理

1.1超聲波振蕩模塊

超聲波振蕩模塊采用DDS技術設計，主要由相位累加器、ROM波形存儲器、D/A數模轉換器與低通濾波器等構成,模塊工作原理如圖2所示。單片機系統時鐘頻率是模塊各環節的同步時鐘,由外界高穩定性的晶體振蕩器發出,頻率控制字K控制模塊輸出電功率信號的頻率。

圖2　超聲波振蕩模塊工作原理

超聲波振蕩模塊工作時，相位累加器在時鐘頻率的控制下依次獲得各個幅值采樣值,幅值采樣值經ROM波形存儲器和D/A數模轉換器輸出梯形波。梯形波經低通濾波器濾波后就是一個完整的正弦波。如果相位累加器的位數為N,單片機系統時鐘頻率為fc,頻率控制字為K,則模塊的輸出頻率為

(1)

模塊輸出頻率分辨率為

(2)

超聲波振蕩電路如圖3所示,電路的單片機選用C8051F040，DDS芯片選用AD9850。CLK_IN為輸入參考頻率，WCLK為時鐘信號，D0—D7為數據端口。通過C8051F040控制AD9850可以得到穩定的正弦波輸出。

圖3　超聲波振蕩電路

具體設計參數：N=32,K=55 148,fc=11.059 2 MHz。由式(1)可得到輸出頻率為142 kHz。由式(2)可得最小輸出頻率約為2.6 MHz，基本可認為輸出頻率連續可調。

1.2信號處理模塊

無風狀態下，接收換能器接收到的信號為

S=S0sin(2πft)

(3)

有風狀態下，接收換能器接收到被旋渦調制后的信號為

S=S0[1+Msin(2πfMt)]sin(2πft)

(4)

式中:S0為信號幅值;f為超聲波頻率;M為調制深度;fM為旋渦頻率。

實際應用中,接收換能器檢測到的信號如圖4所示。從圖4可以看出,有風時,超聲波信號被調制為非標準正弦信號。

測量時，需要對調制信號進行解調，得到旋渦頻率fM，從而得到風速值。解調電路由選頻放大、檢波、低頻放大、整形電路組成，其核心為檢波電路。檢波電路如圖5所示，其中C18為耦合電容，用以濾除直流信號；D5為檢波二極管，用來將調制信號變為半波信號，留下包絡信號上半部分的高頻載波信號；C23為高頻濾波電容，用來去掉檢波二極管輸出信號中的高頻載波信號；R29為負載電阻，檢波二極管導通時的電流回路由R29構成，在R29上的壓降就是檢波電路的輸出電壓。

為方便單片機處理，檢波后信號一般通過低頻放大和整形電路處理變為脈沖信號，實際應用中風速傳感器進入單片機的脈沖信號如圖6所示。從圖6可看出,該脈沖信號頻率正比于實際風速值。通過單片機對該頻率進行檢測,即可得到風速測量值。

(a) 無風時的信號

(b) 有風時的信號

圖5　檢波電路

圖6　實際應用中風速傳感器進入單片機的脈沖信號

2傳感器軟件設計

由圖6可知，信號經處理后得到的脈沖信號不是占空比為50%的方波，因此,計算信號頻率時采用單片機定時器計數方式,具體程序流程如圖7所示。設置單片機定時器0為定時模式，定時器1為計數模式。在定時器0定時1 s內,通過定時器1檢測信號下降沿個數，從而得到信號頻率。利用線性補償算法對信號頻率進行計算,即可得到真實的風速值。

圖7　信號頻率測量程序流程

在信號測量過程中，有可能存在一些隨機干擾，為實現精確、可靠的測量，對信號進行中值平均濾波處理，當測量數據達到10組時,開始進行中值平均濾波，通過數碼管顯示風速值。經過濾波后的信號可靠、平穩。

3試驗測試

風速傳感器的測試需在風洞內進行，分別設定風洞內部風速值為15.0，12.0，9.0，6.0，3.0,1.0 m/s，待風速穩定后觀察傳感器的顯示值是否與設定風速值一致。

測試時，對每個測量點進行3次測量，記錄3次測量的最大誤差,如圖8所示。從圖8可看出，最大誤差為0.14 m/s，傳感器測量精度較高。

圖8　傳感器測量誤差

4結語

為實現風速值實時、精準測量，設計了一種基于DDS技術的礦用風速傳感器。通過理論分析與實驗驗證可知，該傳感器適合井下風速測量點的實時、在線、精準測量，具有以下優點：① 超聲波振蕩電路采用DDS技術，無需人工調試振蕩電路最佳諧振點，使用方便。② 振蕩頻率由單片機控制，只要單片機輸出的時基信號穩定，振蕩頻率就不會發生變化，避免了傳統自激振蕩電路長時間工作在工況較差區域時諧振點漂移的問題。③ 傳感器通過中值平均濾波對信號進行處理，可以有效濾除隨機干擾，可靠性較高。

參考文獻：

[1]冉霞，游青山.基于時差法的礦用超聲波風速傳感器[J].煤礦安全，2015,46(7)：116-119.

[2]楊生元.直接數字頻率合成技術在超聲波振蕩電路中的應用[J].工礦自動化，2011,37(5)：70-73.

[3]王龍帥，史敬灼.超聲波電動機驅動用DDS信號發生器誤差分析[J].微電機，2009,42(4):69-72.

[4]徐韶華，熊顯明.基于DDS的頻率自動跟蹤超聲波發生器的研制[C]//中國儀器儀表學會.第3屆全國虛擬儀器學術交流大會論文集,桂林,2009:406-409.

[5]董敏詩，杜文軍.CW-1型超聲波渦街風速傳感器抗干擾及穩定性的研究[J].礦業安全與環保，2000,27(2)：21-22.

Design of mine-used wind speed sensor based on DDS technology

MIAO Kebin1,2,3

(1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2.National Key Laboratory of High Efficient and Clean Utilization of Coal Resources, Beijing 100013, China;3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Beijing 100013, China)

Abstract:In view of problem that performance of mine-used wind speed sensor is easy to fall because of poor working conditions, a kind of mine-used wind speed sensor based on DDS technology was designed. The sensor adopts DDS technology to design ultrasonic oscillation circuit with high stability resonance frequency, and uses Karman vortex street principle to achieve real-time, accurate measuring of wind speed value. The experiment result shows reliability of the sensor is high, measurement error is smaller, and anti-interference is strong.

Key words:mine-used wind speed sensor； DDS； Karman vortex street; anti-interference

文章編號：1671-251X(2016)07-0012-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.004

收稿日期：2016-03-29；修回日期：2016-06-17；責任編輯：張強。

基金項目：國家國際科技合作專項項目(2013DFR10530)。

作者簡介：苗可彬(1982-)，男，江蘇徐州人，工程師，碩士，現主要從事煤礦安全技術研究工作，E-mail:miaokebin@ccrise.cn。

中圖分類號：TD723

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-07-05 14:56

苗可彬.基于DDS技術的礦用風速傳感器設計[J].工礦自動化，2016,42(7)：12-15.