相位差法超声波三维风速测量方法研究

李春玉　丁喜波　邹一风

摘要：提出一种基于空间向量分析的超声波三维风速风向测量方法，该方法通过相位差来间接测量时间差实现风速测量，采用正四面体传感器配置方案，建立了基于此方案的相位差与风速、风向关系的数学模型，解决了传统直接时间差法存在结构大、高成本等问题，为低成本、小结构、快速三维风速测量研究提出了可行方法，具有广阔的应用前景，

关键词：三维风速测量；相位差；超声波；向量法

DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.009

中图分类号：TP274.5

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）04-0045-05

0引言

近年来，由于超声波检测技术应用在风速测量中，相较于机械式、热式等测量方法非接触，无磨损，测量速度快精度高，维护成本低等使研究利用超声波进行风速测量成为了一个较为热门的课题现阶段国外对该技术的研究已经较为深入，而国内在研究将超声波用于风速测量方向上正处于快速发展阶段，国内对于利用超声波对一维或二维风速的理论研究成果较多，而对三维风速测量的理论研究成果较少，同时，现有的研究采用超声波测风速理论均采用时差法，由于该方法需要用间歇式脉冲来驱动超声波传感器，因此时差法避免不了超声波传感器本身存在的起振余振的问题，虽然有许多这方面的研究，但这些研究较多依赖于DSP及CPLD等高速器件，且没能从根本上解决问题，针对时差法的问题，本文研究了一种基于相位差的超声波三维风速测量方法，该方法采用连续驱动超声波传感器的方式，避免了超声波传感器本身存在起振余振的问题且电路成本较低，无需高速器件即可实现对风速快速、准确测量，

1.相位差超声波三维风速测量基本

原理

超声波三维风速测量技术基于向量空间投影分析法，采用此技术的重点是准确获得声波上承载的流体信息以及向量的空间分解与合成，超声波时差法测风速基本原理是通过测量同等声程下超声波脉冲顺风和逆风传播时间差来反映风速，如图1所示，由超声波发射探头发射一组超声波脉冲，从发射激励脉冲到接收到第一个脉冲的超声波传播时间为f，则t=L（V₀±v）式中三为传感器之间的距离，V₀为无风时超声波的传播速度，v为风速，根据该公式可以求出风速v，这便是时差法原理，

然而，驱动脉冲发射过程中，超声波换能器晶片将经历受迫振动、平衡振动和衰减振动3个状态，并且接收超声波过程中，由于压电晶体具有一定的振动惯量，接收到超声波后，振幅是按照指数曲线增加的，要经历几个周期才能饱和，而且当发射信号结束时，晶片还要保持几个或十几个周期的余振，因此很难准确判断超声波到达以及结束的时刻，而本文的相位差测量方法则将时间差转换为相位差，运用该方法超声波传感器一直处于连续的工作过程中不存在间歇式的脉冲驱动，因此相位差法避免了超声波传感器起振余振的问题，相对于时差法相位差法具有电路成本低（不依赖高速器件）、软硬件易于实现等优点，本文超声波三维风速测量传感器配置形式设计为正四面体结构，其中四个收发一体的超声波传感器分别位于正四面体的四个顶点，配置形式如图2所示，

某一时刻，假设风秽沿某一角度吹到传感器结构上（如图2），根据三维空间向量投影关系，只要求得v在正四面体任意两个面上的投影向量，根据该投影向量写出投影面方程，联立投影面方程便可求出风速v。

2.任意面风矢量合成算法

风矢量（面分量）可以由如下步骤计算：由硬件电路控制四个收发一体的超声波探头轮流收发一个周期，这时可以获得风矢量在每个面三角形上的分量在各面三角形边上的分量大小，根据各边上的分量进行合成，便可求出风矢量在每个面三角形上的分量。

4.验证与结果分析

5.结论

本文提出的基于相位差的超声波三维风速测量方法，经初步验证可以实现对三维风速的测量，应用该方法可以避免直接时差法风速测量中超声波传感器膜片起振及余振对测量精度的影响，同时可以摆脱对昂贵的高频超声波传感器、高速逻辑器件的依赖，对于风的涡流、分散等不稳定性将导致采集数据波动的处理需进一步研究，基于本设计方案的三维风速产品结构尺寸将比同类产品小一个数量级，可用于狭小空间风速测量。