高精度超声波风速计的研制

张梦雨，张真

（中国仪器仪表学会，北京， 100088）

关键字：超能传感器；检波；滤波；计数

0 引言

超声波风速计的换能器安装在被测管道的外侧，基本上不干扰流体的流场，无压力损失，维修方便，同时对流体的温度，粘度，密度等因素也不敏感，输出线性范围宽，没有零点漂移问题，通用性好，又因无可动部件无磨损，使用寿命长等优点，已被广泛应用于工业生产，日常生活的每个角落，风速测量作为流速测量的一个重要领域已与人们的生产，生活密不可分，现代科技的飞速发展更促使其广泛地应用于航空航天，科研实验，现代农业及气象科学等重要领域，且人们对流速，流量的测量的要求也越来越高，而风速检测在低流速速小管径和流动流体很不稳定的情况下很难得到令人满意的效果。为了能在低流速小口径的条件下仍然能测得比较精确的流速，本文采用高频率的超能传感器对流动的流体进行载送，并把接收到的超声波信号进行处理。

1 涡街风速计测量原理

由于超声波在流动的流体中传播时可以载上流体流速的信息，因此我们可以对接收到的超声波信号进行处理，得到相应的流体流速。

涡街产生的频率与流体的平均流速之间有如下关系：

其中V—流体的平均流速，m/s;

Sr—斯特劳哈尔数；

m—涡街发声体两侧矩形面积与通道横截面积之比；

d—涡街发声体迎流面特征宽度；

2 系统结构和硬件设计

测量系统的硬件结构如图1 所示，整体可分为3 大模块，信号调制模块，信号接收处理模块，信号控制输出显示模块。由于采用传统的放大器加二极管已达不到200KHz 检波效果，因此采用专用的中频检波芯片，该芯片集成了检波功能，高频放大等功能，检波效果理想。同时为了达到高速的测量要求，高速的计时电路是必须的，因此采用AVR 单片机作为控制单元输出显示。该单片机拥有特殊的捕获功能，可以直接捕获输入信号的频率，而且采用10MHz 的晶振，内部4 分频，测量最大误差只有0.4us。

图1 硬件结构总体框图

3 信号处理电路

3.1 接收、放大电路

超声波传感器接收的信号在几毫伏左右，为了将该电压放大到后续电路易于处理的程度，接收放大电路的增益至少应达到100 倍以上，且传感器谐振频率达到200kHz,因此采用高速型4556 作为放大芯片，该芯片在输入信号频率达到200kHz 时，增益仍然可以达到45db 左右，为了防止信号经放大后饱和失真，应该在正端输入端输入5V 直流电压。

3.2 检波电路设计

为了得到所要测量的涡街信号，需要把调制过的涡街信号解调出来，因此采用检波电路对其进行解调，检波电路如图2 所示。

图2 检波电路

本电路采用直接放大检波式收音机专用集成电路，功能包括一级高阻输入缓冲、三级高频放大和一级检波，工作频带宽，150 ～3000kHz；放大能力强，功率增益可达72dB；自动增益控制范围可达20dB。

图中输入端加入R5 是为了去除地线的干扰，采用C1 与芯片直接耦合，可以过滤掉前端的低频信号，R1 是芯片的偏置电阻，同时也具有一定的自动增益控制作用，R2 为IC 的输出负载，同时还提供一定范围的AGC 控制作用，C3 和R2大小的选择根据AGC 的反应速度，信号通过IC 之后输出我们所需要的低频信号，为了去除参杂在低频信号中的高频信号，在地与输出端之间接一个C3,使高频信号与地之间提供通路，C3 大小根据经验公式

实验中我们发现输出的低频信号非常小，采用二级放大电路放大输出的低频信号以便后续电路的处理，第一次采用功率放大电路，第二级采用同相放大电路

3.3 滤波电路设计

通过检波后的芯片已经变得相当光滑，但是由于还要将前端电路中的200kHz 高频杂波信号滤除，让涡街产生的低频信号通过，将多余的干扰信号滤除，因此选用的是二阶压控低通滤波电路。

本文设计测量的风速范围0.1m/s～200m/s，由冯.卡曼公式可知对应的频率在0.3Hz～1500Hz 之间，因此滤波电路的截至频率设计在1.5KHz,滤波电路如图3 所示。

图3 二阶压控低通滤波电路

3.4 比较电路与整形电路

为了把信号输入到单片机，需要把接收到的正弦波信号转变成TTL 信号，首先采用一个比较器电路，把正弦波信号转变成方波信号，在通过幅值整形电路把方波信号转变成单片机可以识别的TTL 信号。

3.5 单片机控制显示输出电路

单片机采用ATMEL16 作为控制芯片，采用16MHz 晶振，以获得较稳定的始终频率，减小测量误差，显示电路采用hd44780。单片机以PD6 口(输入捕获引脚)接收传送过来的TTL 信号，利用其内部捕获功能，当捕获到信号上升沿时，捕获寄存器存取计数器中的值，连续取出2 次计数器中的值，求出2 次差值便可以得到信号的周期，把周期转化成相应的频率后，再根据频率与速度的线性关系，即可求出需要的风速。最后，用ATMEL16 的PA 口作为输出引脚，驱动hd44780 显示出所要求的频率与速度。

4 系统的程序设计

系统程序流程图如图4 所示，系统程序主要由主程序，延迟程序，捕获中断程序和显示程序组成。

图4 程序流程图

在设计时采用系统时钟64 分频，每次计数用时1/(16/64)*10-6s,因此精度仍然可以保证，捕获时控制单片机在每次上升沿捕获。当无信号输入时，单片机处于等在状态，直到有信号输入时，捕获中断自动开启，捕获引脚ICP 捕获到第一次信号上升沿时，把捕获到的计数值存入寄存器R0，当捕获第二次信号上升沿时，捕获寄存器ICR 再次捕获计数器的值，控制2 次计数差值输出，同时把计数器清0，等待下一次捕获。

5 实验结果

由于试验条件有限，且为了得到比较平稳的风速，实验过程采取在水洞中进行，实验结果如图5 所示，图中直线由标定的风速连接而成，实测数据如图中黑点所示。

图5 标定风速与实际所测风速

从图中可以看出，超声波所测的的数据与标定的风速已经相当的接近，且有非常好的线性度，采用200Khz 的超声波传感器，一致性较好，检出波形趋于光滑，因此精度得到保证。受测试条件所限，加上测试环境的影响，实验所测的风速有略微的跳动。

6 结论

试验结果表明，系统结构的设计欠佳，给测量的结果带来了一定的影响，但是整体的测量结果是具有很好的线性度，测量结果是准确的。同时还要改进涡街发声体的设计，通过更好的设计系统的结构，可以测量出更加精确的测量结果。

通过搭建硬件平台，软硬件结合设计，大大提高了测量的准确度和稳定性。