高精度超聲波風速計的研制

張夢雨，張真

（中國儀器儀表學會，北京， 100088）

關鍵字：超能傳感器；檢波；濾波；計數

0 引言

超聲波風速計的換能器安裝在被測管道的外側，基本上不干擾流體的流場，無壓力損失，維修方便，同時對流體的溫度，粘度，密度等因素也不敏感，輸出線性范圍寬，沒有零點漂移問題，通用性好，又因無可動部件無磨損，使用壽命長等優點，已被廣泛應用于工業生產，日常生活的每個角落，風速測量作為流速測量的一個重要領域已與人們的生產，生活密不可分，現代科技的飛速發展更促使其廣泛地應用于航空航天，科研實驗，現代農業及氣象科學等重要領域，且人們對流速，流量的測量的要求也越來越高，而風速檢測在低流速速小管徑和流動流體很不穩定的情況下很難得到令人滿意的效果。為了能在低流速小口徑的條件下仍然能測得比較精確的流速，本文采用高頻率的超能傳感器對流動的流體進行載送，并把接收到的超聲波信號進行處理。

1 渦街風速計測量原理

由于超聲波在流動的流體中傳播時可以載上流體流速的信息，因此我們可以對接收到的超聲波信號進行處理，得到相應的流體流速。

渦街產生的頻率與流體的平均流速之間有如下關系：

其中V—流體的平均流速，m/s;

Sr—斯特勞哈爾數；

m—渦街發聲體兩側矩形面積與通道橫截面積之比；

d—渦街發聲體迎流面特征寬度；

2 系統結構和硬件設計

測量系統的硬件結構如圖1 所示，整體可分為3 大模塊，信號調制模塊，信號接收處理模塊，信號控制輸出顯示模塊。由于采用傳統的放大器加二極管已達不到200KHz 檢波效果，因此采用專用的中頻檢波芯片，該芯片集成了檢波功能，高頻放大等功能，檢波效果理想。同時為了達到高速的測量要求，高速的計時電路是必須的，因此采用AVR 單片機作為控制單元輸出顯示。該單片機擁有特殊的捕獲功能，可以直接捕獲輸入信號的頻率，而且采用10MHz 的晶振，內部4 分頻，測量最大誤差只有0.4us。

圖1 硬件結構總體框圖

3 信號處理電路

3.1 接收、放大電路

超聲波傳感器接收的信號在幾毫伏左右，為了將該電壓放大到后續電路易于處理的程度，接收放大電路的增益至少應達到100 倍以上，且傳感器諧振頻率達到200kHz,因此采用高速型4556 作為放大芯片，該芯片在輸入信號頻率達到200kHz 時，增益仍然可以達到45db 左右，為了防止信號經放大后飽和失真，應該在正端輸入端輸入5V 直流電壓。

3.2 檢波電路設計

為了得到所要測量的渦街信號，需要把調制過的渦街信號解調出來，因此采用檢波電路對其進行解調，檢波電路如圖2 所示。

圖2 檢波電路

本電路采用直接放大檢波式收音機專用集成電路，功能包括一級高阻輸入緩沖、三級高頻放大和一級檢波，工作頻帶寬，150 ～3000kHz；放大能力強，功率增益可達72dB；自動增益控制范圍可達20dB。

圖中輸入端加入R5 是為了去除地線的干擾，采用C1 與芯片直接耦合，可以過濾掉前端的低頻信號，R1 是芯片的偏置電阻，同時也具有一定的自動增益控制作用，R2 為IC 的輸出負載，同時還提供一定范圍的AGC 控制作用，C3 和R2大小的選擇根據AGC 的反應速度，信號通過IC 之后輸出我們所需要的低頻信號，為了去除參雜在低頻信號中的高頻信號，在地與輸出端之間接一個C3,使高頻信號與地之間提供通路，C3 大小根據經驗公式

實驗中我們發現輸出的低頻信號非常小，采用二級放大電路放大輸出的低頻信號以便后續電路的處理，第一次采用功率放大電路，第二級采用同相放大電路

3.3 濾波電路設計

通過檢波后的芯片已經變得相當光滑，但是由于還要將前端電路中的200kHz 高頻雜波信號濾除，讓渦街產生的低頻信號通過，將多余的干擾信號濾除，因此選用的是二階壓控低通濾波電路。

本文設計測量的風速范圍0.1m/s～200m/s，由馮.卡曼公式可知對應的頻率在0.3Hz～1500Hz 之間，因此濾波電路的截至頻率設計在1.5KHz,濾波電路如圖3 所示。

圖3 二階壓控低通濾波電路

3.4 比較電路與整形電路

為了把信號輸入到單片機，需要把接收到的正弦波信號轉變成TTL 信號，首先采用一個比較器電路，把正弦波信號轉變成方波信號，在通過幅值整形電路把方波信號轉變成單片機可以識別的TTL 信號。

3.5 單片機控制顯示輸出電路

單片機采用ATMEL16 作為控制芯片，采用16MHz 晶振，以獲得較穩定的始終頻率，減小測量誤差，顯示電路采用hd44780。單片機以PD6 口(輸入捕獲引腳)接收傳送過來的TTL 信號，利用其內部捕獲功能，當捕獲到信號上升沿時，捕獲寄存器存取計數器中的值，連續取出2 次計數器中的值，求出2 次差值便可以得到信號的周期，把周期轉化成相應的頻率后，再根據頻率與速度的線性關系，即可求出需要的風速。最后，用ATMEL16 的PA 口作為輸出引腳，驅動hd44780 顯示出所要求的頻率與速度。

4 系統的程序設計

系統程序流程圖如圖4 所示，系統程序主要由主程序，延遲程序，捕獲中斷程序和顯示程序組成。

圖4 程序流程圖

在設計時采用系統時鐘64 分頻，每次計數用時1/(16/64)*10-6s,因此精度仍然可以保證，捕獲時控制單片機在每次上升沿捕獲。當無信號輸入時，單片機處于等在狀態，直到有信號輸入時，捕獲中斷自動開啟，捕獲引腳ICP 捕獲到第一次信號上升沿時，把捕獲到的計數值存入寄存器R0，當捕獲第二次信號上升沿時，捕獲寄存器ICR 再次捕獲計數器的值，控制2 次計數差值輸出，同時把計數器清0，等待下一次捕獲。

5 實驗結果

由于試驗條件有限，且為了得到比較平穩的風速，實驗過程采取在水洞中進行，實驗結果如圖5 所示，圖中直線由標定的風速連接而成，實測數據如圖中黑點所示。

圖5 標定風速與實際所測風速

從圖中可以看出，超聲波所測的的數據與標定的風速已經相當的接近，且有非常好的線性度，采用200Khz 的超聲波傳感器，一致性較好，檢出波形趨于光滑，因此精度得到保證。受測試條件所限，加上測試環境的影響，實驗所測的風速有略微的跳動。

6 結論

試驗結果表明，系統結構的設計欠佳，給測量的結果帶來了一定的影響，但是整體的測量結果是具有很好的線性度，測量結果是準確的。同時還要改進渦街發聲體的設計，通過更好的設計系統的結構，可以測量出更加精確的測量結果。

通過搭建硬件平臺，軟硬件結合設計，大大提高了測量的準確度和穩定性。