CN204789617U - 一种声学多普勒流速测量仪 - Google Patents

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袁野
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Abstract

本实用新型公开了一种声学多普勒流速测量仪。测量仪包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。流速测量方法包括发射测量信号、接收水声回波超声波信号、选频放大水声回波电信号、估计多普勒频移和测量流速步骤。它采用5MHz测量信号，通过自相关算法计算多普勒频移测量流速，对水体粒子要求低，测量范围较宽，精确度较高。

Description

一种声学多普勒流速测量仪
技术领域
本实用新型涉及一种流速测量仪，尤其是一种声学多普勒流速测量仪，属于水声测量仪器技术领域。
背景技术
自从20世纪80年代，我国城市污水处理已经在各方面有了很大的进展，但是其形势仍然极其严峻。我国目前淡水资源相当短缺,而且我国目前的水污染形势较严峻,特别是城市污水的排放对地表水和地下水水质的影响非常突出。
但由于我国污水处理起步较晚、基础较差，处理设施严重不足,城市排水管网普及率及管道收集率较低。现有的接触式水流流速测量仪，按照水流速传感器的不同有螺旋桨式和旋杯式等，其还存在着设计水平低、设备质量低、运行稳定性较差等诸多问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种声学多普勒流速测量仪。
本实用新型所采取的技术方案是：
技术方案一：
一种声学多普勒流速测量仪，包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。
所述单片机为STM32F407。
所述发射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。
所述接收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接所述混频电路的相应输入端；所述接收换能器包括压电陶瓷片；所述谐振放大电路和第一可控增益放大器的中心频率均为5MHz；所述第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器的中心频率均为455KHz；所述本振信号发生电路输出4.545MHz正弦信号。
所述的声学多普勒流速测量仪，还包括用于测量水温的温度补偿模块，所述温度补偿模块与单片机双向连接；所述温度补偿模块包括数字温度传感器。
所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
所述的声学多普勒流速测量仪，还包括压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。
所述的声学多普勒流速测量仪，还包括电源模块，所述电源模块输入+12v电压，输出+6v电源电压、+5v电源电压和+3.3v电源电压；所述+6v电压为所述发射模块供电；所述+5v电源电压为所述接收模块供电，所述和+3.3v电源电压为所述控制电路、温度补偿模块、压力模块和单片机供电。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型通过自相关算法计算多普勒频偏测量流速，对水体的粒子要求较低，测量范围较宽，精确度较高。
2、本实用新型采用5MHz测量信号，对水中细微颗粒物更加敏感，测量精度更高。
3、本实用新型数据采集时间间隔为10s，数据采集更加，实时性更好。
4、本实用新型增加了温度补偿电路，对测量结果进行温度补偿，解决了声波的传播速度受到水温影响的问题。
5、本实用新型增加了压力电路，实现水深、温度和流速的综合测量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型实施例1的原理框图；
图2是本实用新型实施例1中发射模块的原理框图；
图3是本实用新型实施例1中接收模块的原理框图；
图4是本实用新型实施例2的流程图。
具体实施方式
实施例：
如图1所示，一种声学多普勒流速测量仪，包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。
所述单片机为STM32F407。
如图2所示，所述发射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。
如图3所示，所述接收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接所述混频电路的相应输入端；所述接收换能器包括压电陶瓷片；所述谐振放大电路和第一可控增益放大器的中心频率均为5MHz；所述第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器的中心频率均为455KHz；所述本振信号发生电路输出4.545MHz正弦信号。
所述的声学多普勒流速测量仪，还包括用于测量水温的温度补偿模块，所述温度补偿模块与单片机双向连接；所述温度补偿模块包括数字温度传感器。
所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
所述的声学多普勒流速测量仪，还包括压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。
所述的声学多普勒流速测量仪，还包括电源模块，所述电源模块输入+12v电压，输出+6v电源电压、+5v电源电压和+3.3v电源电压；所述+6v电压为所述发射模块供电；所述+5v电源电压为所述接收模块供电，所述和+3.3v电源电压为所述控制电路、温度补偿模块、压力模块和单片机供电。
在本实施例中，所述谐振放大电路为5MHzLC选频放大网络，第一可控增益放大器芯片为LA6018N3515，经过这两级放大，中心频率5MHz的水声回波电信号放大2000倍，同时其他频率的噪声被抑制衰减。单片机STM32F407产生的4.545MHz方波信号通过本振信号发生电路产生一个频率为4.545MHz的本振信号，在混频器中与放大了的水声回波电信号混频输出一个455KHz左右的正弦信号。第二和第三可控增益放大器芯片均为TLE2426C。混频电路芯片为AD835。DS18B20数字温度传感器提供一个9-Bit到12-Bit摄氏温度测量精度，并且采用1-Wire总线实现温度的测量。压力模块的压力传感器采用扩散硅芯体，即硅压阻式芯体。芯体工作原理采用恒流式激励原理，MAX6025产生一个2.5V基准源和高精度5K电阻共同组成恒流式激励电流源。在本实施例中，通信模块为485通信模块通过导线将单片机中存储的流速数据传输到电脑上，并通过电脑的显示器显示为可以直观看到的流速值。
压力采集模块采用高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATMEGA16A芯片控制，并且通过TTL电平实现与外界的数据传输。由AD7791BRM型号的AD转换芯片转换的数字量代入y＝kx+b，其中k和b都是经过拟合计算得到的压力系数，x为转换的数字量，代入计算即可得到压力值，并且通过TTL方式把压力数据发送给STM32F407。
本实用新型的工作原理：
如图4所示，一种应用实施例1所述声学多普勒流速测量仪的流速测量法，包括以下步骤：
步骤1：发射测量信号：所述发射模块发射5MHz的超声波测量信号；
步骤2：接收水声回波超声波信号：所述接收模块接收水声回波超声波信号，将其转换为水声回波电信号；
步骤3：选频放大水声回波电信号：所述接收模块以5MHz为中心频率选频放大所述水声回波电信号，将其输出至所述单片机；所述单片机内置采样模块对其离散化后的采集信号为：
X(nτ)＝R(nτ)+jI(nτ)(1)
令Ar为幅度，ω0为多普勒频移角频率，τ为取样周期，所述采集信号的实部和虚部分别为：
R(nτ)＝Ar*cos(ω0*nτ)(2)
I(nτ)＝Ar*sin(ω0*nτ)(3)
步骤4：估计多普勒频移，由以下具体步骤组成：
步骤4-1：对所述采集信号的实部和虚部进行互相关处理，得到：
S1＝R(nτ)*I[(n+1)τ]-I(nτ)*R[(n+1)τ](4)
S2＝R(nτ)*R[(n+1)τ]+I(nτ)*I[(n+1)τ](5)
步骤4-2：计算多普勒频移中心频率：
fa＝[1/(2nτ)]*arctg(ΣS1/ΣS2)(6)
步骤5：测量流速V：
V＝C*fa/4*π*ω0*cosα(7)
其中，C为所述接收换能器阵附近的声速，计算方法为：
C＝1449.2+4.6u-0.055u2+0.29*10-3*u3(8)
其中u为所述接收换能器阵附近的海水温度，℃；α为声线与水平方向的夹角。
上述实施例仅用于解释说明本实用新型，而非对本实用新型权利保护的限定，凡是在本实用新型本质方案的基础上进行的任何非实质性的改动，均应落入本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种声学多普勒流速测量仪，其特征在于：包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。
2.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述单片机为STM32F407。
3.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述发射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。
4.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述接收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接所述混频电路的相应输入端；所述接收换能器包括压电陶瓷片；所述谐振放大电路和第一可控增益放大器的中心频率均为5MHz；所述第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器的中心频率均为455KHz；所述本振信号发生电路输出4.545MHz正弦信号。
5.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：还包括用于测量水温的温度补偿模块，所述温度补偿模块与单片机双向连接；所述温度补偿模块包括数字温度传感器。
6.根据权利要求5所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
7.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：还包括压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。
8.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块输入+12v电压，输出+6v电源电压、+5v电源电压和+3.3v电源电压；所述+6v电压为所述发射模块供电；所述+5v电源电压为所述接收模块供电，所述和+3.3v电源电压为所述控制电路、温度补偿模块、压力模块和单片机供电。
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CN104865404A (zh) * 2015-06-17 2015-08-26 王三名 一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法
CN111404785A (zh) * 2020-05-13 2020-07-10 袁野 基于云计算的5g移动网络检测***

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