相位差法超聲波三維風(fēng)速測量方法研究

李春玉　丁喜波　鄒一風(fēng)

摘要：提出一種基于空間向量分析的超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測量方法，該方法通過相位差來間接測量時間差實現(xiàn)風(fēng)速測量，采用正四面體傳感器配置方案，建立了基于此方案的相位差與風(fēng)速、風(fēng)向關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，解決了傳統(tǒng)直接時間差法存在結(jié)構(gòu)大、高成本等問題，為低成本、小結(jié)構(gòu)、快速三維風(fēng)速測量研究提出了可行方法，具有廣闊的應(yīng)用前景，

關(guān)鍵詞：三維風(fēng)速測量；相位差；超聲波；向量法

DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.009

中圖分類號：TP274.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）04-0045-05

0引言

近年來，由于超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)速測量中，相較于機械式、熱式等測量方法非接觸，無磨損，測量速度快精度高，維護(hù)成本低等使研究利用超聲波進(jìn)行風(fēng)速測量成為了一個較為熱門的課題現(xiàn)階段國外對該技術(shù)的研究已經(jīng)較為深入，而國內(nèi)在研究將超聲波用于風(fēng)速測量方向上正處于快速發(fā)展階段，國內(nèi)對于利用超聲波對一維或二維風(fēng)速的理論研究成果較多，而對三維風(fēng)速測量的理論研究成果較少，同時，現(xiàn)有的研究采用超聲波測風(fēng)速理論均采用時差法，由于該方法需要用間歇式脈沖來驅(qū)動超聲波傳感器，因此時差法避免不了超聲波傳感器本身存在的起振余振的問題，雖然有許多這方面的研究，但這些研究較多依賴于DSP及CPLD等高速器件，且沒能從根本上解決問題，針對時差法的問題，本文研究了一種基于相位差的超聲波三維風(fēng)速測量方法，該方法采用連續(xù)驅(qū)動超聲波傳感器的方式，避免了超聲波傳感器本身存在起振余振的問題且電路成本較低，無需高速器件即可實現(xiàn)對風(fēng)速快速、準(zhǔn)確測量，

1.相位差超聲波三維風(fēng)速測量基本

原理

超聲波三維風(fēng)速測量技術(shù)基于向量空間投影分析法，采用此技術(shù)的重點是準(zhǔn)確獲得聲波上承載的流體信息以及向量的空間分解與合成，超聲波時差法測風(fēng)速基本原理是通過測量同等聲程下超聲波脈沖順風(fēng)和逆風(fēng)傳播時間差來反映風(fēng)速，如圖1所示，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射一組超聲波脈沖，從發(fā)射激勵脈沖到接收到第一個脈沖的超聲波傳播時間為f，則t=L（V₀±v）式中三為傳感器之間的距離，V₀為無風(fēng)時超聲波的傳播速度，v為風(fēng)速，根據(jù)該公式可以求出風(fēng)速v，這便是時差法原理，

然而，驅(qū)動脈沖發(fā)射過程中，超聲波換能器晶片將經(jīng)歷受迫振動、平衡振動和衰減振動3個狀態(tài)，并且接收超聲波過程中，由于壓電晶體具有一定的振動慣量，接收到超聲波后，振幅是按照指數(shù)曲線增加的，要經(jīng)歷幾個周期才能飽和，而且當(dāng)發(fā)射信號結(jié)束時，晶片還要保持幾個或十幾個周期的余振，因此很難準(zhǔn)確判斷超聲波到達(dá)以及結(jié)束的時刻，而本文的相位差測量方法則將時間差轉(zhuǎn)換為相位差，運用該方法超聲波傳感器一直處于連續(xù)的工作過程中不存在間歇式的脈沖驅(qū)動，因此相位差法避免了超聲波傳感器起振余振的問題，相對于時差法相位差法具有電路成本低（不依賴高速器件）、軟硬件易于實現(xiàn)等優(yōu)點，本文超聲波三維風(fēng)速測量傳感器配置形式設(shè)計為正四面體結(jié)構(gòu)，其中四個收發(fā)一體的超聲波傳感器分別位于正四面體的四個頂點，配置形式如圖2所示，

某一時刻，假設(shè)風(fēng)穢沿某一角度吹到傳感器結(jié)構(gòu)上（如圖2），根據(jù)三維空間向量投影關(guān)系，只要求得v在正四面體任意兩個面上的投影向量，根據(jù)該投影向量寫出投影面方程，聯(lián)立投影面方程便可求出風(fēng)速v。

2.任意面風(fēng)矢量合成算法

風(fēng)矢量（面分量）可以由如下步驟計算：由硬件電路控制四個收發(fā)一體的超聲波探頭輪流收發(fā)一個周期，這時可以獲得風(fēng)矢量在每個面三角形上的分量在各面三角形邊上的分量大小，根據(jù)各邊上的分量進(jìn)行合成，便可求出風(fēng)矢量在每個面三角形上的分量。

4.驗證與結(jié)果分析

5.結(jié)論

本文提出的基于相位差的超聲波三維風(fēng)速測量方法，經(jīng)初步驗證可以實現(xiàn)對三維風(fēng)速的測量，應(yīng)用該方法可以避免直接時差法風(fēng)速測量中超聲波傳感器膜片起振及余振對測量精度的影響，同時可以擺脫對昂貴的高頻超聲波傳感器、高速邏輯器件的依賴，對于風(fēng)的渦流、分散等不穩(wěn)定性將導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)波動的處理需進(jìn)一步研究，基于本設(shè)計方案的三維風(fēng)速產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸將比同類產(chǎn)品小一個數(shù)量級，可用于狹小空間風(fēng)速測量。