相位差法超聲波三維風速測量方法研究

李春玉　丁喜波　鄒一風

摘要：提出一種基于空間向量分析的超聲波三維風速風向測量方法，該方法通過相位差來間接測量時間差實現風速測量，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速、風向關系的數學模型，解決了傳統直接時間差法存在結構大、高成本等問題，為低成本、小結構、快速三維風速測量研究提出了可行方法，具有廣闊的應用前景，

關鍵詞：三維風速測量；相位差；超聲波；向量法

DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.009

中圖分類號：TP274.5

文獻標志碼：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應用在風速測量中，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，維護成本低等使研究利用超聲波進行風速測量成為了一個較為熱門的課題現階段國外對該技術的研究已經較為深入，而國內在研究將超聲波用于風速測量方向上正處于快速發展階段，國內對于利用超聲波對一維或二維風速的理論研究成果較多，而對三維風速測量的理論研究成果較少，同時，現有的研究采用超聲波測風速理論均采用時差法，由于該方法需要用間歇式脈沖來驅動超聲波傳感器，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速測量方法，該方法采用連續驅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對風速快速、準確測量，

1.相位差超聲波三維風速測量基本

原理

超聲波三維風速測量技術基于向量空間投影分析法，采用此技術的重點是準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，超聲波時差法測風速基本原理是通過測量同等聲程下超聲波脈沖順風和逆風傳播時間差來反映風速，如圖1所示，由超聲波發射探頭發射一組超聲波脈沖，從發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為無風時超聲波的傳播速度，v為風速，根據該公式可以求出風速v，這便是時差法原理，

然而，驅動脈沖發射過程中，超聲波換能器晶片將經歷受迫振動、平衡振動和衰減振動3個狀態，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，振幅是按照指數曲線增加的，要經歷幾個周期才能飽和，而且當發射信號結束時，晶片還要保持幾個或十幾個周期的余振，因此很難準確判斷超聲波到達以及結束的時刻，而本文的相位差測量方法則將時間差轉換為相位差，運用該方法超聲波傳感器一直處于連續的工作過程中不存在間歇式的脈沖驅動，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）、軟硬件易于實現等優點，本文超聲波三維風速測量傳感器配置形式設計為正四面體結構，其中四個收發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，假設風穢沿某一角度吹到傳感器結構上（如圖2），根據三維空間向量投影關系，只要求得v在正四面體任意兩個面上的投影向量，根據該投影向量寫出投影面方程，聯立投影面方程便可求出風速v。

2.任意面風矢量合成算法

風矢量（面分量）可以由如下步驟計算：由硬件電路控制四個收發一體的超聲波探頭輪流收發一個周期，這時可以獲得風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，根據各邊上的分量進行合成，便可求出風矢量在每個面三角形上的分量。

4.驗證與結果分析

5.結論

本文提出的基于相位差的超聲波三維風速測量方法，經初步驗證可以實現對三維風速的測量，應用該方法可以避免直接時差法風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，對于風的渦流、分散等不穩定性將導致采集數據波動的處理需進一步研究，基于本設計方案的三維風速產品結構尺寸將比同類產品小一個數量級，可用于狹小空間風速測量。