壓電超聲共振式風(fēng)傳感器風(fēng)場(chǎng)閉環(huán)解算策略研究

曾祥豹,胡義東,王 露,王 飛,廖崧琳,胡 楊,袁宇鵬

(1.中電科芯片技術(shù)(集團(tuán))有限公司,重慶 401332;2.重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院,重慶 400044)

0 引言

風(fēng)是自然界中最常見(jiàn)的一種自然現(xiàn)象,由空氣流動(dòng)引起。風(fēng)速是表征流動(dòng)的空氣相對(duì)于地球某一固定地點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。在氣象、軍事、艦船航行、航空航天、風(fēng)能發(fā)電、鐵路橋梁、城市與森林消防等領(lǐng)域均需要對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量工作[1]。

檢測(cè)方式主要有機(jī)械式、熱敏式、超聲波式和光學(xué)式。其中超聲波式測(cè)風(fēng)儀因其內(nèi)部無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)而占據(jù)了大部分市場(chǎng)。在超聲測(cè)風(fēng)領(lǐng)域中可以基于時(shí)差法、相位差法和多普勒法等測(cè)風(fēng)技術(shù)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量。近年來(lái),對(duì)于超聲波式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的研究主要集中在如何有效提高測(cè)量精度,同時(shí)確保系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力等方面。但在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中,環(huán)境溫度的干擾、風(fēng)速的突變、超聲換能器的性能等都會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生較大的影響[2]。通過(guò)對(duì)換能器進(jìn)行頻率調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制,解決了在不同壓力、溫度等環(huán)境因素影響下導(dǎo)致的共振頻移影響,提高了信噪比,解決了實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中的各類干擾問(wèn)題。

1 系統(tǒng)的檢測(cè)原理

1.1 檢測(cè)的基本原理

超聲波時(shí)差法是檢測(cè)風(fēng)速風(fēng)向的基本方法。傳統(tǒng)超聲波時(shí)差法模型主要有對(duì)射式時(shí)差法和反射式時(shí)差法兩種[3]。

聲共振的基本原理是基于聲平板干涉原理,聲音無(wú)邊緣的特定高度的平板內(nèi)會(huì)發(fā)生反復(fù)反射并疊加,最終形成穩(wěn)定的疊加態(tài),極大地加強(qiáng)了聲信號(hào)。在風(fēng)傳感器由3個(gè)呈等邊三角形分布的換能器裝置組成,每對(duì)發(fā)送/接收換能器之間的凈相位差可顯示出這對(duì)換能器所在軸向上的氣流狀況,因此,通過(guò)3對(duì)換能器裝置的測(cè)量值,可確定三角形每條邊上氣流的分量矢量。

本文采用聲共振的方式進(jìn)行檢測(cè),模型如圖1所示。采用超聲波相位法,當(dāng)風(fēng)按照?qǐng)D中所示方向吹過(guò),大風(fēng)速會(huì)引起超聲更大的偏移,小風(fēng)速會(huì)引起超聲更小的偏移,不同的風(fēng)速大小會(huì)線性地導(dǎo)致不同的波速偏移,從而影響超聲波換能器接收到的時(shí)間和相位[4]。根據(jù)接收到的時(shí)間偏移或相位偏移,通過(guò)數(shù)據(jù)處理可得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)速風(fēng)向信息[5]。

圖1 風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)原理

1.2 閉環(huán)控制調(diào)制原理

根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量原理和共振態(tài)波長(zhǎng)的選擇,在不同的溫度和壓強(qiáng)下對(duì)應(yīng)不同的共振頻點(diǎn)。為了保證風(fēng)傳感器始終工作在最佳共振態(tài),需要采用閉環(huán)控制跟隨共振點(diǎn)。

超聲波換能器在中心波長(zhǎng)處為洛倫茲線型,采用頻率掃描方式驅(qū)動(dòng)超聲換能器,如圖2所示。其中,f1為特定溫度和壓強(qiáng)下形成的聲共振洛倫茲線型的頻率譜線,f2為對(duì)應(yīng)超聲波換能器的掃描頻率,f0為形成最強(qiáng)聲共振的對(duì)應(yīng)中心頻率。通過(guò)掃描超聲換能器驅(qū)動(dòng)電壓的方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)f2的頻率掃描,覆蓋能夠形成聲共振的f1對(duì)應(yīng)的洛倫茲線型[6]。

圖2 閉環(huán)控制調(diào)制原理

采用頻率調(diào)制信號(hào)作為換能器的驅(qū)動(dòng)電壓,在不同溫度和壓強(qiáng)下,超聲換能器聲速發(fā)生變化,從而導(dǎo)致波長(zhǎng)變化。同時(shí)考慮換能器的頻率漂移,得到換能器發(fā)出的聲信號(hào)波長(zhǎng)為

λ=λ0+kT×λT×T+kP×λP×P

(1)

式中:λ0為換能器的起始波長(zhǎng);kT和kP分別為不同溫度和壓強(qiáng)下的典型系數(shù);λT和λP分別為不同溫度和壓強(qiáng)下的波長(zhǎng)漂移值;T和P分別為不同環(huán)境下的溫度和壓強(qiáng)。通過(guò)合理選擇波長(zhǎng)調(diào)制范圍λm,使其完全覆蓋不同溫度和壓強(qiáng)下可形成共振態(tài)的波長(zhǎng)。調(diào)制后,超聲換能器發(fā)出的聲信號(hào)波長(zhǎng)調(diào)制曲線如圖3所示。

1.3 閉環(huán)控制的實(shí)施方法

采用閉環(huán)控制的方式對(duì)全溫范圍內(nèi)進(jìn)行波長(zhǎng)、頻率掃描,頻率掃描范圍為30～40 kHz,掃描步進(jìn)為100 Hz/次。每次掃描完成后,重新計(jì)算共振態(tài)的對(duì)應(yīng)頻率,通過(guò)反復(fù)掃描保證風(fēng)傳感器工作在對(duì)應(yīng)的共振頻率,提高信噪比,其如圖4所示。

圖4 閉環(huán)控制頻率調(diào)制和對(duì)應(yīng)共振點(diǎn)頻率

在每個(gè)周期內(nèi),由于不同的溫度和壓強(qiáng)在不同的共振頻率點(diǎn)才能產(chǎn)生共振,每個(gè)周期的頻率點(diǎn)都有差異。由圖4可見(jiàn),在第1個(gè)周期內(nèi),共振點(diǎn)頻率是fa;在第2個(gè)周期內(nèi),共振點(diǎn)頻率是fb;在第3個(gè)周期內(nèi),共振點(diǎn)頻率是fc。在不同的周期情況下,共振點(diǎn)的頻率會(huì)因溫度和壓強(qiáng)的不同而產(chǎn)生偏移。

實(shí)際使用中,溫度等外部條件具有緩慢變化的特點(diǎn),閉環(huán)控制可以適應(yīng)溫度等外部變化,從而很好地保證了風(fēng)傳感器工作在合適的共振態(tài),具有更好的信噪比。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)整體框圖如圖5所示,包括了信號(hào)激勵(lì)單元、收發(fā)單元、信號(hào)處理單元和中心處理單元。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示,包括了頂蓋、壓蓋、換能器驅(qū)動(dòng)電路、換能器、換能器座、共振腔式、信號(hào)處理電路和主固定座。

圖5 系統(tǒng)整體框圖

圖6 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)

閉環(huán)控制的具體方式如圖7所示,該實(shí)現(xiàn)方式包括閉環(huán)控制、換能器激勵(lì)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)解調(diào)。整個(gè)閉環(huán)控制的過(guò)程:主控模塊給出特定頻率的周期性信號(hào)到激勵(lì)驅(qū)動(dòng),形成驅(qū)動(dòng)換能器的對(duì)應(yīng)頻率驅(qū)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)換能器進(jìn)行全范圍的掃描;掃描中進(jìn)行信號(hào)解調(diào),CPU經(jīng)過(guò)模型計(jì)算,得到對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)f,f為此時(shí)共振點(diǎn);以f作為共振點(diǎn)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向計(jì)算,后續(xù)進(jìn)行周期性掃描,實(shí)時(shí)更新共振頻率f,保證了在各種狀態(tài)下都是共振態(tài),從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。目前該系統(tǒng)的掃描寬度為30～40 kHz,步進(jìn)為100 Hz。

圖7 閉環(huán)控制框圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1 采用閉環(huán)控制的測(cè)試結(jié)果

對(duì)風(fēng)傳感器采用閉環(huán)控制,其電壓信號(hào)輸出圖如圖8-11所示。圖8為全域掃描條件下,聲共振電壓信號(hào)波形圖。圖9為共振態(tài)下形成的電壓信號(hào)波形圖,波形呈反饋魚(yú)形波形。圖10、11分別為23 ℃、25 ℃下,閉環(huán)控制形成的電壓信號(hào)內(nèi)部跟隨正弦信號(hào)。由圖8-11可見(jiàn),閉環(huán)控制形成了魚(yú)形波形群,實(shí)現(xiàn)了全域掃描,不同溫度下可以實(shí)現(xiàn)頻率跟隨,保證了風(fēng)傳感器始終工作在共振態(tài)。

圖8 全域掃描波形圖

圖9 共振態(tài)下波形圖

圖10 23 ℃下閉環(huán)控制波形圖

圖11 25 ℃下閉環(huán)控制波形圖

3.2 閉環(huán)控制標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在閉環(huán)控制狀態(tài)下,分別以風(fēng)速0.00、3.50 m/s、10.00 m/s、20.00 m/s、35.00 m/s和50.00 m/s進(jìn)行測(cè)試,每個(gè)風(fēng)速至少測(cè)試1 000次,然后取典型值。對(duì)其進(jìn)行線性擬合和線性回歸的標(biāo)定,符合線性特征。對(duì)應(yīng)風(fēng)速的參數(shù)如表1所示,對(duì)應(yīng)的擬合曲線如圖12所示。

表1 不同控制對(duì)應(yīng)風(fēng)速測(cè)量

圖12 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制典型值風(fēng)速對(duì)比

由圖12可知,在閉環(huán)控制情況下,當(dāng)風(fēng)速小于35 m/s時(shí),測(cè)量風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的線性度良好;相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)線,開(kāi)環(huán)控制具有較大的偏差。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)風(fēng)速小于35 m/s時(shí),風(fēng)傳感器對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的最大偏差為3%,開(kāi)環(huán)控制的最大偏差為15.14%;當(dāng)風(fēng)速大于35 m/s時(shí),風(fēng)傳感器測(cè)量的風(fēng)速最大偏差由開(kāi)環(huán)控制的14.56%降低到閉環(huán)控制的8.39%,系統(tǒng)精度得到較大提升。

4 結(jié)論

1) 本文提出閉環(huán)控制的方式,解決了在不同壓力、溫度等環(huán)境因素影響下導(dǎo)致的共振頻移的影響,進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)速測(cè)量誤差較大的問(wèn)題。相對(duì)于開(kāi)環(huán)控制,該方法將原始檢測(cè)方法中風(fēng)速0～35 m/s的檢測(cè)精度從±15.14%提高到±3%,風(fēng)速大于35m/s的檢測(cè)精度從14.56%提高到8.39%,從而提高了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

2) 在低風(fēng)速的條件下,風(fēng)傳感器風(fēng)速線性度高,但在高風(fēng)速環(huán)境下,風(fēng)傳感器需要進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償后才可獲得更好的精度。