基于声学技术的矿井风速测量仪器设计

岳晓庚，任红伟，周 宾，邱 实,贺文凯，向 鹏

(1.东南大学仪器与工程学院，江苏南京 210096;2.青海盐湖工业股份有限公司研发中心，青海格尔木 210096)

0 引言

矿井通风可以提供新鲜空气，排除CH4、CO等有毒有害的气体，是保证矿井安全生产的基本方法。对矿井风速进行有效的检测、监控，实时掌握井下风速状况对煤矿安全具有重要意义[1]。目前测速方式大多是传统接触式测量方式，例如机械式风表[2]、皮托管流速仪[3]、热敏式风表[4]等。这些测量方式容易改变测量管道的流场分布，长时间的接触工作会导致设备磨损从而使得测量结果出现误差。

近年来声学技术得到迅速的发展，很多学者逐渐把声学法应用到不同的领域[5]，沈国清[6]等采用声波法测量电站锅炉烟气的流速；陈栋[7]等利用声学技术设计了一套不影响烟气正常流速的测速实验装置。

以上声学测速装置是在声源附近和远离声源处分别放置一个声压传感器，通过对2个接收信号进行互相关[8]计算，求出飞渡时间。本文对该测量装置进行了改进，并且设计了一套测速硬件和软件系统。

1 测速原理

声波是发声体通过产生振动在空气或其他物质中传播而形成的，声波的实际传播速度主要由声波在介质中的传播速度和气体流动的速度所决定。关系如下：

Creal=C+v

(1)

式中：Creal为声波实际传播速度的矢量和，m/s；C为声波在介质中的传播速度，m/s；v为声波传播方向上气体的流速，m/s。

声波在介质中传播，同样与介质成分、温度和压力相关[9-10]。相关性表达式为

(2)

式中:R为摩尔气体常数，J/(mol·K)；γ为气体的绝热指数；T为气体温度，K；M为气体的摩尔质量，kg/mol。

不同环境中温度和压强不一样，导致声波传播速度不同。为了仅测量介质的流速，使用双通道测量方法，消除式(2)中的R、T和M参数。声学测速原理图如图1所示。

图1 声学测速原理

扬声器S1的声波信号分量与气体流速方向一致，则：

(3)

式中：LS1M1为S1到M1的距离；tS1M1为S1到M1的时间；α为S1和M1安装角度，选择45°。

扬声器S2的声波信号分量与气体流速方向相反，则：

(4)

式中：LS2M2为S2到M2的距离；tS2M2为S2到M2的时间；β为S2和M2安装角度，选择45°。

由式(3)和式(4)可推导得：

(5)

声波飞渡时间的测量会极大影响声波测速精度，采用互相关计算声波传播时间，可以极大提高时间的准确度。

2个信号相关函数用来描述两者之间的相似程度，也可以描述一组信号前后不同时刻的相似程度。实际情况下，扬声器发出声波信号和声压传感器接收信号，两组波形存在很大相似性，但存在一定的相位差，可以通过相关函数来计算两个信号相位偏移，如图2所示。设定扬声器发出的信号为X，声压传感器接收的信号为Y，通过互相关函数计算两组信号的偏移点Δn，两路离散信号的互相关函数R(n)可表示为

图2 互相关示意图

(6)

式中：N为一组离散信号采样长度；n为离散信号设定的偏移点数；X(i)和Y(i)分别为离散信号第i测量值。

当R(n)取最大值时对应的n即为两路信号的偏移点Δn，根据设计的采样率可以得到声波的飞渡时间t：

t=Δn/fs

(7)

式中fs为采样频率。

2 系统设计方案

系统采用FPGA为主控芯片。FPGA具有流水并行和数据并行的功能，可以满足系统两路声波信号同时驱动，4路声压信号同时采集的要求。并且FPGA多种时钟输出，I/O引脚用户可配置，输出驱动能力强。

系统包括声波产生模块、AD采集模块、USB通讯模块等。声波产生模块经过功率放大器驱动扬声器产生声波信号，声压传感器接收声波信号由AD采集模块将数据缓存在FPGA内部，最后经过USB通讯模块将数据传送到上位机，并对顺风和逆风两路声波信号做互相关运算，求出tS1M1和tS2M2。其系统总体框图如图3所示。

图3 系统总体框图

2.1 硬件设计

2.1.1 声波驱动电路

FPGA控制AD9746芯片将数字量转化成模拟量，生成正弦扫频信号，通过功率放大器输出至扬声器，驱动扬声器发射声波信号。AD9746具有高动态范围、14位分辨率，差分模拟电路输出可在8.6～31.7 mA满量程范围内调整，通过串行外设接口(SPI)端口可提供完全编程能力。采用FPGA输出的低压差分信号(LVDS信号)作为该芯片的采样时钟。AD9746原理图如图4所示。

2.1.2 信号接收电路设计

声波在矿井传播过程中，信号的幅值在一定程度上会得到衰减，因此在采集声波信号之前必须对信号进行放大和滤波处理，前端放大滤波电路关系到整个采集电路的优劣，必须选择低噪声、低输入偏置电流运算放大器，ADA4004可以满足要求。前端放大滤波电路如图5所示。

图5 放大滤波电路

AD采集电路使用AD7357芯片，该芯片为差分输入、双通道14位SAR ADC、每通道4.2 MSPS,其数字接口为串行接口，每一个采样点至少需要16个时钟周期[11]，由FPGA提供时钟信号。满足AD电路的差分输入，采用低失真差分ADC驱动器AD8138实现将单端信号转换成差分信号。其电路图如图6所示。

2.1.3 USB接口电路设计

FT2232H是一款具有高速USB转串行通信协议的芯片。该芯片最大传输速率为480 Mbits/s并且依靠编程可以配置为串行或并行的总线接口方式；具有双通道传输功能，每个通道在芯片内部拥有4 kbyte的发送数据缓存和4 kbyte的接收数据缓存；还具有多种接口的工作模式，其中FT245同步模式下最大传输速度能够达到40 Mbyte/s，FT245异步模式最大传输速度能够达到8 Mbyte/s[12-13]。外接EEPROM用于保存FT2232H芯片配置信息。FT2232H接口电路如图7所示。

图6 AD7357原理图

2.2 系统软件程序设计

2.2.1 FPGA控制程序

FPGA软件程序建立在Quartus平台上，采用VerilogHDL硬件描述语言。主要包括PLL、FT2232H读写时序控制、AD7357串行数据读取、AD9746扫频波形发生。FPGA程序框图如图8所示。

2.2.2 LabVIEW与USB通讯

LabVIEW作为USB数据采集系统上位机部分，需要驱动程序的支持。在设计驱动程序时，FTDI公司为USB-FIFO模式提供了软件接口和动态链接库文件(.dll)。LabVIEW通过直接调用ftd2xx.dll里面的API函数来建立与设备驱动程序的联系[14-15]。在程序设计过程中将动态链接库中各个函数做成子VI，便于LabVIEW调用API函数。LabVIEW采集信号如图9所示。

2.2.3 LabVIEW算法模块

LabVIEW上位机算法模块主要包括带通滤波模块、互相关计算模块、风速计算模块等。一段时间内不断调节风速，观察上位机测量结果。风速实时测量和显示界面如图10所示。

3 实验结果分析

设计横截面积为1 200 mm×1 200mm，沿气体方向长度为2 m的正方形风道用于模拟矿道，并在声学测量装置同一截面处安装热敏风速仪。由于实验条件下背景噪声主要集中在3 kHz以下，为了避免背景噪声引起测量误差，本实验选取了4～6 kHz的线性扫频信号，扫频周期为0.4 s，声压级为60 dB。搭建测试平台，测试距离为3.987 m，LS2M2测试距离为4.002 m；将扬声器、声压传感器、数据采集系统和计算机之间用相应的数据线连接好、上电，让整个测试系统开始运转起来。调节风机改变风量的大小，将声学测速系统的实时风速与热敏风速仪进行对比分析。测速对比见表1。

图7 FT2232H接口电路

图8 FPGA程序框图

图9 上位机采集信号

图10 风速实时测量和显示界面

表1 测速对比表

由表1可知，在不同的风速状态下，将声学测速系统和热敏风速仪进行对比，风速变化趋势相同，最大相对误差为4.47%，从而验证了声学测量系统的可行性。

4 结论

本文设计了一套声学测速硬件电路，主要包括声波驱动电路、数据采集电路、数据传输电路等。该电路系统采集精度高，传输速率快，并且在传输过程中信号稳定可靠。

利用LabVIEW软件开发了一套数据实时采集和同步处理系统，实现了风速的实时测量。本文对传统的声学测速的布置进行优化改进，采用了直接将声源信号和声压传感器采集信号进行互相关算法处理的方法，减少了硬件成本。通过多组实验对比分析验证了系统的可行性。