礦用對射式風速風向傳感器設計

安賽 趙忠輝 張浪 李偉 彭然

文章編號：1671?251X（2024）04?0050?05 ?DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2024010055

摘要：針對目前風速傳感器啟動風速高、設計方案復雜、無法準確測量巷道整個斷面平均風速的問題，基于超聲波對射式測風原理，設計了以 STM32為核心的礦用對射式風速風向傳感器，介紹了傳感器總體結構、收發電路設計、濾波算法及軟件流程。該傳感器改變了以點帶面的測風方式，通過大距離（5～12 m）超聲測風技術測量巷道中線風速，以該風速代表整個巷道的平均風速，提高了巷道風速測量的準確性和實時性。依據設計方案研發了測試樣機，在環形風洞中的測試結果表明，該傳感器測量值與風速標準值在0.1～15 m/s 內具有較好的一致性，測量誤差小于0.1 m/s，能夠滿足智能化礦井對巷道風速測量精度的要求。

關鍵詞：智能化通風；風速風向傳感器；巷道斷面風速；超聲波測風；對射式測風；巷道中線風速中圖分類號：TD723 ?文獻標志碼：A

Design of mine opposed wind speed and direction sensor

AN Sai1，2，3，4， ZHAO Zhonghui1，2，3，4， ZHANG Lang1，2，3，4， LI Wei1，2，3，4， PENG Ran1，2，3，4

（1. China Coal Research Institute， Beijing 100013， China；2. CCRI Tong'an（Beijing） Intelligent Control TechnologyCo.， Ltd.， Beijing 100013， China；3. Beijing Engineering and Research Center of Mine Safe， Beijing 100013， China；4. State Key Laboratory of Intelligent Coal Mining and Strate Control， Beijing 100013， China）

Abstract： In response to the current problems of high startup wind speed， complex design schemes， and inability to accurately measure the average wind speed of the entire section of the roadway using wind speed sensors， based on the principle of ultrasonic opposed wind measurement， a mine opposed wind speed and direction sensor with STM32 as the core is designed. The overall structure of the sensor， the design of the transmitting and receiving circuit， the filtering algorithm， and the software process are introduced. This sensor has changed the wind measurement method from point to surface， using a single ARM core and measuring the wind speed at the centerline of the roadway through long-distance （5-12 m） ultrasonic wind measurement technology. This wind speed represents the average wind speed of the entire roadway. It greatly improves the accuracy and real-time performance of roadway wind speed measurement. A test prototype is developed based on the design scheme， and the test results in a circular wind tunnel show that the measured values of the sensor has good consistency with the standard wind speed values in the range of 0.1-15 m/s， with a measurement error of less than 0.1 m/s. It can meet the precision requirements of intelligent mines for roadway wind speed measurement.

Key words： intelligent ventilation; wind speed and direction sensor; wind speed at the cross-section of the roadway; ultrasonic wind measurement; opposed wind measurement; wind speed at the centerline of the roadway

0引言

煤礦井下巷道風速的精確測量是實現煤礦通風智能化的基礎[1-5]。目前井下巷道風速測量方法主要有機械式風表、壓差式風速傳感器、超聲波渦街式風速傳感器，其測量范圍大多為0.3～15 m/s，誤差為0.2 m/s，啟動風速為0.3 m/s 以上?！睹旱V安全規程》要求掘進中的巖巷和其他通風人行巷道的最低允許風速為0.15 m/s；《國家能源集團煤礦智能化建設指南（2022版）》要求在測風站布置風速傳感器，量程為0.1～15 m/s，精度為0.1 m/s，分辨率為0.01 m/s?，F有的風速傳感器無法滿足測量要求[6-8]。

超聲波風速測量儀可適應惡劣環境，具有較高的精度和較寬的測量范圍，應用超聲波時差法的點式風速傳感器在礦井也有應用，但其測量的有限區域較小，不能反映巷道斷面的平均風速[9-11]，且現有超聲波風速傳感器采用 ARM+FPGA 或 ARM+ CPLD [12-14]進行系統設計，設計復雜且功耗較高。針對目前傳感器啟動風速高、設計方案復雜、無法準確測量巷道整個斷面平均風速的問題，本文設計了一種高精度、低成本、線式對射風速風向傳感器。該傳感器改變了以點帶面的測風方式，采用單片 ARM 核心，通過大距離（5～12 m）超聲測風技術測量巷道中線風速，以該風速代表整個巷道的平均風速，極大地提高了巷道風速測量的準確性和實時性。

1對射式風速測量原理

對射式風速風向傳感器通過測量超聲波順逆流傳播時間計算風速[15-18]，測量原理如圖1所示。其中點 A，C 分別為換能器1、換能器2的安裝地點，通常位于巷道兩幫，距離為5～12 m；平均風速 V 平行于巷道，為待計算量；風速與線段 AC 的夾角為α， 且 cos α=LBC/LAC，LAC，LBC 分別為線段 AC，BC 的長度。

工作時，換能器1與換能器2互為收發。換能器1發送、換能器2接收時，順風風流中超聲波的傳播時間為

式中 c 為超聲波在巷道空氣中的傳播速度， c =331：34+0：607t ，t 為當前空氣溫度。

換能器2發送、換能器1接收時，逆風風流中超聲波的傳播時間為

用式（1）減式（2）并進行變換，得

用式（1）加式（2）并進行變換，得

由式（3）可知，通過測量 LBC，LAC，TAC，TCA 即可計算出平均風速V，且與 c 無關。由式（4）可知，可計算當前溫度及超聲波傳輸速度，用于反向驗證測量時間是否正確。

2對射式風速風向傳感器設計

2.1總體設計

對射式風速風向傳感器采用 STM32高性能單片機為核心，主要由超聲波換能器、發射電路、通道切換電路、接收電路、核心電路、數據存儲模塊、顯示交互模塊等組成，如圖2所示。

換能器1發送、換能器2接收時，通過發射接收切換電路將發射波形加載到換能器1上，同時計數單元開始計時。換能器2接收波形后，通過發射接收切換電路進入接收電路，計數單元停止計時，同時 STM32內部模數（AD）轉換對接收波形進行實時采集，綜合處理后得到一組時間信息。換能器2發送、換能器1接收時，同理可得另一組時間信息，通過式（3）即可計算出平均風速。

2.2發射電路

換能器的安裝距離一般為8 m左右，為了保證接收換能器能夠采集到高信噪比的波形，需發射端有較高的發射能量，但過高的電壓可能不滿足井下本安電路的設計要求。超聲波發射及通道選擇電路如圖3所示。發射端采用雙向4脈沖發射波形設計，使用變比為15∶200的脈沖變壓器將10 V 電壓變換為200～300 V、頻率為40 kHz 的激勵信號。采用導通電壓為0.7 V 的二極管 D3和 D4將發射與接收過程隔離開，采用固態繼電器組合實現發射狀態和接收狀態的切換。

2.3接收電路

對射換能器安裝距離較遠，接收到的信號微弱，線纜容易受井下電磁環境的影響。因此，設計了3級放大電路對接收信號進行處理。超聲波接收及動態放大電路如圖4所示。 PGA281（U20）構成第1級差分放大電路，實現0.125～176倍信號放大；第2級、第3級為多路負反饋二階有源帶通濾波器，其中心頻率為40 kHz，品質因數為12，帶寬為10 kHz，放大倍數為50。經3級放大電路后，將接收的小信號調理成直流偏置為1.65 V 的40 kHz類正弦波，一路通過比較器進入 STM32主控芯片的計數單元，另一路進入 STM32內部 AD 進行高速數據采集。

2.4數據處理

設定2個換能器的安裝距離為10 m，則完成2次對射測量最少需60 ms。為了保證數據處理時間，設置1組測量時間為100 ms 。則1 s 內可進行10組測量。為了剔除掉原始數據中的隨機噪聲及干擾，將1 s 內的10組數據去掉2個最大值和2個最小值，其余數據取均值作為當前的實時風速。為了進一步提高輸出風速的穩定性，抑制隨機誤差的影響，采用滑動平均法[19-21]處理風速數據，考慮數據的實時性，一般平滑周期設為5。

2.5軟件設計

系統軟件主要實現參數設置、超聲波發射與接收信號測量、風速計算、數據顯示等功能，軟件流程如圖5所示。傳感器上電后，STM32進行系統、內部定時器、AD 等外設初始化，并進行系統自檢。若自檢不通過，則通過屏幕或輸出端口輸出故障碼；若自檢通過，則自動獲取2個換能器的直線距離。通過 STM32內部 IO 端口控制發射與接收通道，同時開啟計時和 AD 轉換，1 s 內完成10次測量，通過滑動平均法對數據進行處理，最終通過屏幕顯示風速值，并將數據上傳。

3環形風洞測試

為了驗證礦用對射式風速風向傳感器的測試精度，搭建了滿足 QXT 323—2016《氣象低速風洞技術條件》、JJF 1934—2021《超聲波風向風速測量儀器校 ???準規范》、MT 448—2008《礦用風速傳感器》標準的環形風洞，如圖6所示。風速測量范圍為0～30 m/s，

測試段尺寸為1100 mm×1100 mm。

風洞采用開環控制方式，依次調節不同風速測試點，待風速值穩定后，記錄測量值與標準值，同時對傳感器進行線性擬合與校準。線性校準后的傳感器性能測試結果見表1。

由表1可知，風速標準值與校準后風速測量值在0.1～15 m/s 內具有較好的一致性。標準風速為4.95 m/s 和25.10 m/s 時誤差均超過0.1 m/s。這是由于風洞低速（＜4.9 m/s）測量使用的是熱式風速傳感器，高速（＞4.9 m/s）測量使用的是皮托管，經過測試，在該高低速轉換點有0.1 m/s 的轉換誤差，減掉轉換誤差后，測量誤差為0.02 m/s；25.10 m/s 在傳感器量程外，此時測試風洞噪聲較大，震動引起的測量誤差較大。測試結果表明，對射式風速風向傳感器滿足風速在0.1～15 m/s 內誤差小于0.1 m/s 的設計要求。

4結語

基于超聲波對射式測風原理，設計了以 STM32為核心的礦用對射式風速風向傳感器。介紹了傳感器總體結構、收發電路設計、濾波算法及軟件流程。依據設計方案研發了測試樣機。在環形風洞中的測試結果表明，該傳感器風速測量值與風速標準值在0.1～15 m/s 內具有較好的一致性，能夠滿足智能化礦井對巷道風速測量精度的要求。

參考文獻（References）：

[1]周福寶，辛海會，魏連江，等.礦井智能通風理論與技術研究進展[J].煤炭科學技術，2023，51（1）：313-328.

ZHOU Fubao，XIN Haihui，WEI Lianjiang， et al. Research progress of mine intelligent ventilation theory and technology[J]. Coal Science and Technology，2023，51（1）：313-328.

[2]張慶華.我國煤礦通風技術與裝備發展現狀及展望[J].煤炭科學技術，2016，44（6）：146-151.

ZHANG Qinghua. Development and prospect of mine ventilation technology and equipment[J]. Coal Science and Technology，2016，44（6）：146-151.

[3]張富凱，孫一冉，孫君頂，等.礦井智能通風系統關鍵技術研究[J].煤礦安全，2023，54（2）：46-53.

ZHANG Fukai， SUN Yiran， SUN Junding， et al. Research on key technologies of mine intelligent ventilation system[J]. Safety in Coal Mines，2023，54（2）：46-53.

[4]程曉之，王凱，郝海清，等.礦井局部通風智能調控系統及關鍵技術研究[J].工礦自動化，2021，47（9）：18-24.

CHENG Xiaozhi，WANG Kai，HAO Haiqing，et al. Research on intelligent regulation and control system and key technology of mine local ventilation[J]. Industry and Mine Automation，2021，47（9）：18-24.

[5]劉劍.礦井智能通風關鍵科學技術問題綜述[J].煤礦安全，2020，51（10）：108-111，117.

LIU Jian. Overview on key scientific and technical issues of mine intelligent ventilation[J]. Safety in Coal Mines，2020，51（10）：108-111，117.

[6]邵良杉，于保才，陳曉永.礦井智能通風關鍵技術[J].煤礦安全，2020，51（11）：121-124.

SHAO Liangshan，YU Baocai，CHEN Xiaoyong. Key technology of mine intelligent ventilation[J]. Safety in Coal Mines，2020，51（11）：121-124.

[7]徐新坤.煤礦用機械葉片式風速表測量準確度的影響因素[J].煤炭與化工，2016，39（5）：136-137，140.

XU Xinkun. Influencing factor of the accuracy of mine mechanic blade type anemometer [J]. Coal and Chemical Industry，2016，39（5）：136-137，140.

[8]蔣澤，郝葉軍，劉炎.一種礦用皮托管式風速傳感器設計[J].工礦自動化，2012，38（11）：61-63.

JIANG Ze，HAO Yejun，LIU Yan. Design of a mine- used air speed sensor based on pitot tube[J]. Industry and Mine Automation，2012，38（11）：61-63.

[9]宋濤，王建文，吳奉亮，等.基于超聲波全斷面測風的礦井風網實時解算方法[J].工礦自動化，2022，48（4）：114-120，141.

SONG Tao，WANG Jianwen，WU Fengliang，et al. Real-time calculation method of mine ventilation network based on ultrasonic full-section wind measurement [J]. Journal of Mine Automation，2022，48（4）：114-120，141.

[10]盧新明，尹紅.礦井通風智能化理論與技術[J].煤炭學報，2020，45（6）：2236-2247.

LU Xinming，YIN Hong. The intelligent theory and technology of mine ventilation[J]. Journal of China Coal Society，2020，45（6）：2236-2247.

[11]游青山.一種礦用超聲波風速傳感器的設計[J].煤礦安全，2017，48（1）：88-91.

YOU Qingshan. Design for an mine-used ultrasonic air velocity sensor [J]. Safety in Coal Mines，2017，48（1）：88-91.

[12]黃吉葵.高精度超聲波風速風向儀測量系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2019.

HUANG Jikui. Design and implementation of high precision ultrasonic anemometer measuring system[D]. Chengdu： University of Electronic ?Science and Technology of China，2019.

[13]劉華欣.基于超聲波傳感器的風速風向測量研究[J].儀表技術與傳感器，2018（12）：101-104，110.

LIU Huaxin. Research on wind speed and direction measurement based on ultrasonic sensor [J]. Instrument Technique and Sensor，2018（12）：101-104，110.

[14]褚衛華，顧正華.風洞超聲波風速風向三維測量裝置設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2023（1）：36-41，47.

CHU Weihua，GU Zhenghua. Development of ultrasonic three-dimensional wind speed and direction measuring device ?for ?wind ?tunnel[J]. Automation & Instrumentation，2023（1）：36-41，47.

[15]楚航，趙佳佳.基于 STM32F4的超聲波測風速風向儀的設計[J].自動化技術與應用，2017，36（7）：133-136. CHU Hang， ZHAO Jiajia. Design of ultrasonic measuring wind speed and direction instrument based on STM32F4[J]. Techniques ?of ?Automation ?and Applications，2017，36（7）：133-136.

[16]羅永豪.巷道斷面風速分布與煤礦通風系統實時診斷理論研究[D].太原：太原理工大學，2015.

LUO Yonghao. Theoretical study on wind velocity distribution in the section of roadway and real time diagnostics on mine ventilation systems[D]. Taiyuan： Taiyuan University of Technology，2015.

[17]冉霞，游青山.基于時差法的礦用超聲波風速傳感器[J].煤礦安全，2015，46（7）：116-119.

RAN Xia，YOU Qingshan. Mine-used ultrasonic air velocity sensor based on time difference method[J]. Safety in Coal Mines，2015，46（7）：116-119.

[18]李秉芮，劉娜，井上雅弘.高精度礦用超聲波風速測量儀設計[J].工礦自動化，2022，48（2）：119-124.

LI Bingrui，LIU Na，MASAHIRO Inoue. Design of high precision mine ultrasonic anemometer [J]. Industry and Mine Automation，2022，48（2）：119-124.

[19]丁向輝，李平.基于 FPGA 和 DSP 的超聲波風向風速測量系統[J].應用聲學，2011，30（1）：46-52.

DING Xianghui，LI Ping. An ultrasonic anemometer based on DSP and FPGA[J]. Applied Acoustics，2011，30（1）：46-52.

[20] SHAN Zebiao，XIE Xiaoran，LIU Xiaosong. Wind speed and direction measurement based on three mutually transmitting ultrasonic sensors [J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2023，20：1-5.

[21] ZHAO Chen，CHEN Zezong，LI Jian，et al. Wind direction estimation using small-aperture HF radar based on a circular array[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2020，58（4）：2745-2754.