基于時差法的三維超聲波測風(fēng)傳感器設(shè)計

文桂伏，郭子靖，沈洪奇

（北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

準確測量風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ跉庀箢A(yù)報、風(fēng)力發(fā)電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要作用。目前主要的風(fēng)速測量儀器主要有風(fēng)杯式風(fēng)速計、熱敏式風(fēng)速計、超聲波風(fēng)速計，風(fēng)杯式風(fēng)速計主要存在機械磨損、有啟動風(fēng)速、測量精度不高、容易受外部環(huán)境影響等缺點。機械式風(fēng)速儀在磨損后測量精度會下降[1]；天氣環(huán)境對熱敏風(fēng)速計測量準確性也有很大的影響[2]；而超聲波測風(fēng)儀不存在磨損、反應(yīng)速度快、測量精度高[3]，被廣泛應(yīng)用在各種對風(fēng)速風(fēng)向的測量精度要求較高的場合。國外三維超聲波風(fēng)速儀測量精度高但價格昂貴，國內(nèi)尚無可以替代產(chǎn)品。本文開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)場三維測量的系統(tǒng)，具有工程價值和現(xiàn)實意義。

1 測風(fēng)的基本原理

本系統(tǒng)采用的測風(fēng)原理為超聲波時差法，采用三維超聲波測風(fēng)系統(tǒng)測量風(fēng)速和風(fēng)向[4]。時差法分為直接時差法、頻差法和相位差法[5]，本系統(tǒng)采用直接時差法。當3對換能器的距離固定時，使用切換開關(guān)控制換能器收發(fā)電路實現(xiàn)多對換能器依次發(fā)出超聲波和接收超聲波，用計時芯片測量超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)中的飛行時間，通過風(fēng)速與飛行時間的關(guān)系得到3個方向上的風(fēng)速分量，由矢量合成原理得出總的風(fēng)速值，用水平面內(nèi)的風(fēng)速分量求出風(fēng)向。本系統(tǒng)采用的三維正交型測風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)簡單、計算方便，與直角坐標系重合[6]。

測風(fēng)陣列如圖1[6]所示，以3對換能器的軸線為坐標軸建立直角坐標系，在安裝時使系統(tǒng)盡可能水平并調(diào)整好方位角。即OY軸的正方向指向正東方向，OX軸的正方向指向正南方向，OZ軸的正方向垂直向上，并假設(shè)3個軸的正方向為順風(fēng)方向。3對換能器分別測出風(fēng)矢量在3個坐標軸上的分量，假設(shè)OY軸、OX軸及OZ軸上的分量分別為Vy、Vx、Vz，假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為C，風(fēng)速為V，正對的2個換能器均為收發(fā)一體并且間距都為L，取L=20 cm。假設(shè)3個軸上超聲波順風(fēng)傳播的時間分別為tOR、tOQ、tOP，逆風(fēng)傳播的時間分別為tRO、tQO、tPO，則風(fēng)速的計算為

圖1 三維正交型測風(fēng)陣列示意圖

2 三維超聲波測風(fēng)系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要包括STM32最小系統(tǒng)、換能器驅(qū)動電路和超聲信號處理電路、HMC5883L地磁芯片及CD4097多路選擇器、傾角傳感器SCA100T及模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705外圍電路、RS485通信接口、TDC-GP22外圍電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 換能器驅(qū)動電路設(shè)計

TDC-GP22時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用3 V的線性電源進行供電，其FIUP_UP引腳也只能產(chǎn)生峰峰值為3 V的200 kHz方波，無法直接驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波，所以使用驅(qū)動電路對方波進行放大，驅(qū)動電路的原理圖如圖3所示。驅(qū)動電路采用中頻變壓器進行升壓，方波經(jīng)過一個限流電阻后接到NPN型三極管的基極，三極管的發(fā)射極接到AGND，變壓器原端方波的幅值為5 V，原端接5 V電源提高了變壓器的驅(qū)動功率，變壓器的副端與換能器相連。

圖3 換能器驅(qū)動電路

2.3 超聲信號調(diào)理電路

換能器產(chǎn)生的回波信號峰峰值一般為幾十毫伏且伴隨噪聲信號，不能觸發(fā)TDC-GP22的STOP單元，從而無法實現(xiàn)超聲波飛行時間的測量，所以換能器產(chǎn)生的回波信號要經(jīng)過信號調(diào)理電路進行放大和濾波處理。信號調(diào)理電路的原理圖如圖4所示，電路采用2個運算放大器構(gòu)成四階巴特沃斯型帶通濾波器，采用兩級放大電路進行放大，可以通過反饋電阻進行調(diào)整放大倍數(shù)，放大倍數(shù)會影響輸出波形的穩(wěn)定，實驗過程中發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)過大時波形出現(xiàn)失真和抖動，使得TDC-GP22測量的超聲波飛行時間有很大的波動，反而會影響風(fēng)速風(fēng)向測量的精度。

圖4 回波信號調(diào)理電路

3 三維超聲波測風(fēng)系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用模塊化的方式編寫程序[7]。上電后先對各個接口進行初始化，STM32通過SPI接口給TDC-GP22發(fā)送地址和數(shù)據(jù)配置相應(yīng)的寄存器。然后發(fā)送相應(yīng)的測量指令完成超聲波飛行時間的測量，再代入上面的計算公式得出風(fēng)速風(fēng)向。利用AD7705采集SCA100T輸出的電壓值，STM32通過SPI接口讀取AD7705的轉(zhuǎn)換值后計算出系統(tǒng)的傾角，通過IIC接口讀取HMC5883L測量的系統(tǒng)的方位角，還包括串口通信程序設(shè)計，整個系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 超聲波飛行時間數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)先進行無風(fēng)狀態(tài)下的飛行時間測量，因為回波信號中存在噪聲及波形的抖動，所以超聲波飛行時間也存在較大的波動，數(shù)據(jù)的波動會影響測量的精度。本系統(tǒng)采用平均值法濾波對數(shù)據(jù)進行處理，一個方向上進行30次測量，取平均值作為這個方向上測量的時間值，原始數(shù)據(jù)及濾波后的數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖中可以看出，經(jīng)過平均值法濾波后，測量結(jié)果的波動從原始數(shù)據(jù)的5 μs左右減小到濾波后的1.5 μs左右。

圖6 原始數(shù)據(jù)和濾波后的數(shù)據(jù)

5 系統(tǒng)測試

在實現(xiàn)時間測量之后，將系統(tǒng)置于自制的小型風(fēng)洞中進行標定，測試現(xiàn)場如圖7所示。使用型號為AS8336的葉輪式風(fēng)速儀作為比對儀器，AS8336型風(fēng)速儀的分辨率為0.001 m/s，風(fēng)速測量誤差為±3%，最大量程為30 m/s，能夠滿足本系統(tǒng)標定的需求。此時系統(tǒng)X軸的傾角為1.201°，Y軸傾角為-0.179°，方位角為0.173°。

圖7 風(fēng)洞中的測風(fēng)測試

風(fēng)速實測數(shù)據(jù)如表1所示，參考風(fēng)速由AS8336葉輪式風(fēng)速儀測量，并由風(fēng)杯式風(fēng)速儀進行校正得到，系統(tǒng)測量風(fēng)速指的是本文設(shè)計的三維測風(fēng)系統(tǒng)測量得到的風(fēng)速。

表1 參考風(fēng)速與系統(tǒng)測量風(fēng)速m/s

使用不同擺放位置對風(fēng)向進行標定，標定后系統(tǒng)對于風(fēng)向測量的絕對誤差均小于±2°，系統(tǒng)對風(fēng)向的測量有較高的精度。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，本文開發(fā)的測風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速測量的絕對誤差在±0.2 m/s以內(nèi)。外界環(huán)境、硬件電路、傳播過程中的延時、軟件算法都會對測量產(chǎn)生影響[2]。方波信號需要經(jīng)過換能器之間的傳播及切換開關(guān)、收發(fā)電路才能回到TDC-GP22，計時芯片得到的時間值略大于超聲波在2個換能器之間的飛行時間，這就導(dǎo)致了計算出來的風(fēng)速風(fēng)向存在系統(tǒng)誤差，此外在測量過程中還存在隨機誤差。

6 結(jié)語

開發(fā)了一種200 kHz三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)，采用3對換能器構(gòu)成正交型的測風(fēng)陣列。主要包括各部分的硬件電路設(shè)計、程序設(shè)計及系統(tǒng)的程序流程圖，設(shè)計和調(diào)試的過程中采用模塊化的方法，提高了開發(fā)的效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并對系統(tǒng)進行了標定和誤差分析。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)對風(fēng)速測量的絕對誤差小于±0.2 m/s，風(fēng)向測量誤差小于±2°。具有較高的實時性，系統(tǒng)功耗低，測量精度較高，能滿足實際工程應(yīng)用，適用于對風(fēng)速風(fēng)向測量精度要求較高的場合。