壓電超聲共振式風(fēng)傳感器風(fēng)場閉環(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)是自然界中最常見的一種自然現(xiàn)象,由空氣流動引起。風(fēng)速是表征流動的空氣相對于地球某一固定地點的相對運動速度。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)域均需要對風(fēng)速進(jìn)行測量工作[1]。

檢測方式主要有機械式、熱敏式、超聲波式和光學(xué)式。其中超聲波式測風(fēng)儀因其內(nèi)部無轉(zhuǎn)動模塊、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢而占據(jù)了大部分市場。在超聲測風(fēng)領(lǐng)域中可以基于時差法、相位差法和多普勒法等測風(fēng)技術(shù)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測量。近年來,對于超聲波式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的研究主要集中在如何有效提高測量精度,同時確保系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力等方面。但在實際的檢測過程中,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對檢測產(chǎn)生較大的影響[2]。通過對換能器進(jìn)行頻率調(diào)制和強度調(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,解決了實際檢測過程中的各類干擾問題。

1 系統(tǒng)的檢測原理

1.1 檢測的基本原理

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

聲共振的基本原理是基于聲平板干涉原理,聲音無邊緣的特定高度的平板內(nèi)會發(fā)生反復(fù)反射并疊加,最終形成穩(wěn)定的疊加態(tài),極大地加強了聲信號。在風(fēng)傳感器由3個呈等邊三角形分布的換能器裝置組成,每對發(fā)送/接收換能器之間的凈相位差可顯示出這對換能器所在軸向上的氣流狀況,因此,通過3對換能器裝置的測量值,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,模型如圖1所示。采用超聲波相位法,當(dāng)風(fēng)按照圖中所示方向吹過,大風(fēng)速會引起超聲更大的偏移,小風(fēng)速會引起超聲更小的偏移,不同的風(fēng)速大小會線性地導(dǎo)致不同的波速偏移,從而影響超聲波換能器接收到的時間和相位[4]。根據(jù)接收到的時間偏移或相位偏移,通過數(shù)據(jù)處理可得到對應(yīng)的風(fēng)速風(fēng)向信息[5]。

圖1 風(fēng)速風(fēng)向檢測原理

1.2 閉環(huán)控制調(diào)制原理

根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向測量原理和共振態(tài)波長的選擇,在不同的溫度和壓強下對應(yīng)不同的共振頻點。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。

超聲波換能器在中心波長處為洛倫茲線型,采用頻率掃描方式驅(qū)動超聲換能器,如圖2所示。其中,f1為特定溫度和壓強下形成的聲共振洛倫茲線型的頻率譜線,f2為對應(yīng)超聲波換能器的掃描頻率,f0為形成最強聲共振的對應(yīng)中心頻率。通過掃描超聲換能器驅(qū)動電壓的方式可實現(xiàn)對應(yīng)f2的頻率掃描,覆蓋能夠形成聲共振的f1對應(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)制信號作為換能器的驅(qū)動電壓,在不同溫度和壓強下,超聲換能器聲速發(fā)生變化,從而導(dǎo)致波長變化。同時考慮換能器的頻率漂移,得到換能器發(fā)出的聲信號波長為

λ=λ0+kT×λT×T+kP×λP×P

(1)

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

1.3 閉環(huán)控制的實施方法

采用閉環(huán)控制的方式對全溫范圍內(nèi)進(jìn)行波長、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,重新計算共振態(tài)的對應(yīng)頻率,通過反復(fù)掃描保證風(fēng)傳感器工作在對應(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)制和對應(yīng)共振點頻率

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

實際使用中,溫度等外部條件具有緩慢變化的特點,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,包括了信號激勵單元、收發(fā)單元、信號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)動電路、換能器、換能器座、共振腔式、信號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)控制實現(xiàn)

閉環(huán)控制的具體方式如圖7所示,該實現(xiàn)方式包括閉環(huán)控制、換能器激勵驅(qū)動、信號解調(diào)。整個閉環(huán)控制的過程:主控模塊給出特定頻率的周期性信號到激勵驅(qū)動,形成驅(qū)動換能器的對應(yīng)頻率驅(qū)動,進(jìn)而驅(qū)動換能器進(jìn)行全范圍的掃描;掃描中進(jìn)行信號解調(diào),CPU經(jīng)過模型計算,得到對應(yīng)頻點f,f為此時共振點;以f作為共振點解調(diào)信號進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向計算,后續(xù)進(jìn)行周期性掃描,實時更新共振頻率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 實驗測試結(jié)果

3.1 采用閉環(huán)控制的測試結(jié)果

對風(fēng)傳感器采用閉環(huán)控制,其電壓信號輸出圖如圖8-11所示。圖8為全域掃描條件下,聲共振電壓信號波形圖。圖9為共振態(tài)下形成的電壓信號波形圖,波形呈反饋魚形波形。圖10、11分別為23 ℃、25 ℃下,閉環(huán)控制形成的電壓信號內(nèi)部跟隨正弦信號。由圖8-11可見,閉環(huán)控制形成了魚形波形群,實現(xiàn)了全域掃描,不同溫度下可以實現(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)定實驗及結(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)行測試,每個風(fēng)速至少測試1 000次,然后取典型值。對其進(jìn)行線性擬合和線性回歸的標(biāo)定,符合線性特征。對應(yīng)風(fēng)速的參數(shù)如表1所示,對應(yīng)的擬合曲線如圖12所示。

表1 不同控制對應(yīng)風(fēng)速測量

圖12 開環(huán)控制和閉環(huán)控制典型值風(fēng)速對比

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,測量風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的線性度良好;相對于標(biāo)準(zhǔn)線,開環(huán)控制具有較大的偏差。經(jīng)計算,當(dāng)風(fēng)速小于35 m/s時,風(fēng)傳感器對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的最大偏差為3%,開環(huán)控制的最大偏差為15.14%;當(dāng)風(fēng)速大于35 m/s時,風(fēng)傳感器測量的風(fēng)速最大偏差由開環(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)速測量誤差較大的問題。相對于開環(huán)控制,該方法將原始檢測方法中風(fēng)速0～35 m/s的檢測精度從±15.14%提高到±3%,風(fēng)速大于35m/s的檢測精度從14.56%提高到8.39%,從而提高了系統(tǒng)對環(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)補償后才可獲得更好的精度。