超聲多普勒流速儀的研制(上).docx

1、超聲多普勒流速儀的研制（上）南京水利水文自動化研究所鄧昌閭0.80.60.2一、對超聲多普勒流速訊號的正確估算是儀器研制的基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)依據(jù)應(yīng)用知聲技術(shù)與多勒原理來測童沆速的方式，對多卡勒回波訊號的認(rèn)識與估算,涉及儀馨主Oft的確定與所采取的技術(shù)路線的正確與香，是研制儀家的基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)依據(jù).（一）,回波訊號的特征：應(yīng)用翅聲多普勒效應(yīng)來測量流速，多普勒訊號的傳遞主旻是冠過流體中曷浮微粒對趕聲汶的做射作用來實(shí)現(xiàn)的.因?yàn)檗?波發(fā)射聲束與接收聲束不是理想的一條線而是一波束或波柱.因北兩者的夾匯區(qū)是一個幾何空間，在此空間的散射微粒是眾多的微檢集合，處于空間內(nèi)不同坐標(biāo)點(diǎn)的微柱，其散射子波的傳揖方向.知率，相位存

2、在差異，因而羊一做射微粒的做射子波的模式不能代表微粒集合的做射情況.單個微粒的做射子波所具有的散射能童是微乎其微的.一般不足以觸發(fā)接收森而形成與做射子波相應(yīng)的訊號頻譜或能it譜,根據(jù)波動學(xué)的原理和知聲多普勒測速的具體情況，我們在對翅聲波多普勒法測流何題的研究一文中，分析上述幾何體內(nèi)的散射子波的頻率與相位關(guān)系，則可得到所有散射波源的行波質(zhì)加的堵果.將形成一種,波包或稱得波,這種,波包,或,群次、是各個子波共同貢獻(xiàn)的結(jié)果，比單個做射子波具痛的做射能童大得多.因而能停盆發(fā)接收驀形成我們番蔓的訊號.根據(jù)此一做射子波的做射圖形的分析.回波訊號并非單一頻率的正弦波，而是一種混晌訊號.此種訊號的特征與儀暑姑

3、構(gòu)和沆杰相關(guān).并從對測童歉據(jù)可能形成誤差的誤差深考慮，定性地分析了流速梯度，換佬群指向角及換佬器結(jié)構(gòu)等的影響.PSGreen與海洋局笫三研究所張民強(qiáng)有級工程師等,通過實(shí)踐.在各自的論文中，從訊號的敘it特性角度.論涉了體積混響對多普勒庵流計(jì)回波訊號的it晨機(jī)制.主旻有四種因素（2）:1流速梯度與湍流對訊號的調(diào)頊與WM：根據(jù)多普勒效應(yīng)的攤本原理，不同流速與流向的各個小區(qū)將產(chǎn)生各種須率與相債的疊加，形成對中心頻率訊號的*頊與調(diào)幅作用，其調(diào)鑰情況與流存相關(guān)：2. 膽子布朗運(yùn)動的影響.3. 換能耳在隨機(jī)非均勻介質(zhì)中運(yùn)動產(chǎn)生的回波信號的調(diào)帽與調(diào)相，在海流計(jì)中其調(diào)譜展霓為：Af<2V/p調(diào)相譜展為8

4、.<2.7V/p其中。為般子速度.P為混響體租的特征線度.4. 換能驛開角所引起的譜展與Kr值和換他毒相對于流速的夾角有關(guān).其關(guān)系曲線如圖1、©2所示，其中K為波數(shù)，r為換能春半徑，S1換能有限波束寬度的功率諧密度.海流計(jì)對溢流向（a-。）.0.020.0!0350.010.02ffi2換能命有限波束賞度產(chǎn)生的功率譜密度（按a作圖）根據(jù)我們研制的換假驀的實(shí)際數(shù).其中p=>66Cm.K，=86,則可計(jì)算出由于換能弟在隨機(jī)非均勻介質(zhì)中運(yùn)動所產(chǎn)生的調(diào)幅諼展為Af<2V/6.6cm,B.v27V/6.6cm；根據(jù)圖1、S2.由換能咪開角所引起的半功率譜霓約為AVf=6HZ左

5、右.其中也。為多普勒訊號數(shù).在流速為5m/s時,A，r32KHZ左右.在明案用的超,多普勒流速儀中,這四種叛散機(jī)制也是存在的,另外一般明渠水層較淺.在季近界面.由于儀毒的抖動與液浪所產(chǎn)生的界面反射對舊波訊號的調(diào)制作用也是不可忽視的直要的因素.由此可知.回波訊號是一種很麥雜的混響訊號.訊號譜展的結(jié)果會使訊號交得模糊與不林定.彩槽流速的檢河精度，嚴(yán)重時使儀落完全不能工作.為了獐少譜展所產(chǎn)生的測量謖差,根據(jù)明果測流的具體情況及分析訊號譜展的原因.則可分別在傳感器的設(shè)計(jì)，線路的選鐸、訊號的處理.測試點(diǎn)的選擇,儀毒的使用等方面，采取一定的技術(shù)措蒐予以解決.(二) 回波訊號的電平估算：1. 超，多普勒流速

6、儀在穿座用中存在下列四種聲程損耗：即幾何擴(kuò)展損耗、介質(zhì)阪收損耗、散射損耗與體和混響損耗.(1) 幾何擴(kuò)展損耗TL七°2'2此土其中L為換能庫至混喧區(qū)的距高，L=13cm.D/ZL和D為換能星片直徑,叩為換能界的指向角.0=0.8cm.<p2.6"得：TL=-10db(2) 介質(zhì)及收報(bào)耗TL»TL2-2L<r1wK為粘滯庫痍衰減系數(shù)：當(dāng)工作頻率為6MHZ時a$a0.11db/cm.TL2=2.8db(3) 數(shù)射損耗TL3,由于水中懸浮題祖的微射作用造成,能的做射損耗，對不同水質(zhì)交幅很大.倩況也較復(fù)雜,但是根據(jù)RJUrick等分別用石松子(直徑為3

7、0必，高嶺土(林徑為0.25必，砂等懸濁液所做的秋收系數(shù)與濃度的關(guān)系曲線試檢和體秋液度為1%時的吸收系數(shù)與彼徑的關(guān)系曲線試股來看其衰被系數(shù)都不超過1db/cm(痹考圖3).我們電散射衰減系敷<r21db/cm,則TL3«2L«2*-26db(4)體租混響損耗TJ:由瑞利散射定體估算反向散射系數(shù),單個散射體反向做射系數(shù)J近似為a,=夸(k*1)(Ka)4a為散射顆粒半徑，K為波數(shù)，K=209/cma=3x10-4cm則Ka=6.27x102«1K-L=27OO»1滿足瑞科散射條件要求.考慮體租濃度為0.26%的散射微檢時，含沙景約為6KG/m3,每I

8、Cm，體荻中，合a-3*W4Cm的微檢數(shù)絢為n«>108數(shù)量裁.又考慮混響體根約為2.2Cm$.所以混璃體租損耗為TL4-lOlg2.2x1Oaxa<s»27db聲程傳播總損耗：TLTLTLi+TLg+TU=-658db2. 訊號電平估算：由發(fā)射器發(fā)射的電訊號劇接收容接收到的電訊號、除聲程演耗外，還存在電、,轉(zhuǎn)換與,、電轉(zhuǎn)換報(bào)耗.(PZT6的機(jī)電藉合系數(shù)為KP=0.59),考慮傳感葬其他的咀尼損耗,兩次轉(zhuǎn)換效率均以0.2甘算；傳婚界與電路之同的區(qū)配不可能充全理想，其精合效率以0.6計(jì)算.兩項(xiàng)報(bào)耗相加共37db左右.發(fā)射器發(fā)射電功率為1瓦時.則接收器接收到的電功率

9、為PR=1X10一'°28瓦.設(shè)輸入負(fù)裁為60,則得接收訊號電平為Ur=/50x10"WM»5.1x10-J伏=5】微伏以上計(jì)算，是報(bào)據(jù)僅庫參數(shù)(不同儀器分?jǐn)?shù)不-樣)及較渾濁水質(zhì)中的計(jì)算結(jié)果.由瑙槽散射定體可以看出：阜個散射體反向數(shù)射系數(shù)a,與散射他徑的六次方成正比.在上述同等情況下.如果擔(dān)徑a=l0-3Cm.TL4«-10db,It徑為a-104Cm時.則TL伊一40db,由此可見：不同的粒徑與不同的濃度對混響損耗產(chǎn)生極大的影響，同樣的對散射損耗丁也產(chǎn)生極大的變化.實(shí)際情況財(cái)比這種計(jì)算麥雜得多，因此我們不19可能準(zhǔn)確地計(jì)算各種復(fù)雜情況下的訊號電

10、平.粗略估算的目的在于了解訊號電平的變化范圍.作為僅卷設(shè)計(jì)的依據(jù)，而更重要的是以實(shí)際試驗(yàn)為準(zhǔn).在極清激的水中.徽射訊號非常徵房，據(jù)黃料提供數(shù)據(jù)其訊號電平約為35“V范圖,最大訊號電平與株小訊號電平可招是34個數(shù)量級.我們在校正水槽試驗(yàn)結(jié)果，訊號電平約為5“V左右,在較厚濁的水中，則可達(dá)效毫伏,與計(jì)算結(jié)果基本相符（三）、主要技術(shù)條件與技術(shù)措施：通姓對回波訊號特征的分析與訊號電平的估算.確定儀辟各部分的主要技術(shù)條件及有關(guān)技術(shù)措施.1. 傳感器部分；傳慮器包括發(fā)射換能器與接收換能卷兩部分.根據(jù)回波訊號椅征的分析與訊號電平的估算，回波訊號恃性的優(yōu)劣,主要決定于傳感器的結(jié)構(gòu).傳患器應(yīng)該具備下列技術(shù)性能：

11、良好的電聲轉(zhuǎn)換效率.以提高儀釋的靈度；不破壞測試點(diǎn)的流態(tài),以保證儀器的泌量精度；較強(qiáng)的抗千擾能力，以保證儀器的輯定性佬；良好的訊號譜特性，以減少無用雜波的調(diào)制作用.傳感器的性能涉及感應(yīng)材料的選擇.結(jié)構(gòu)的形式、粘站工藝等，我們先后試制試救過多種形式結(jié)構(gòu)的傳感器，果后確定以徵型傳感器彖為理想.主要技術(shù)參數(shù)如下：工作頻率：5MHz迎水面外徑；©10mm指向角：2.6。特征線度：6.6cm混響體積：22cms由于傳感器很小.而且具有防腐蝕性能.因此佬適用各種流場（水深不小于3cm）和不同水質(zhì)的測量的需要.2. 發(fā)射驀部分：發(fā)射春的主要旻求是穗定的工作頻率.為此采用電容三點(diǎn)式晶振電爵，工作貌率

12、為5MHz±O.5%0；適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率.約為1.5瓦左右；稔定的發(fā)射波形,因?yàn)榘l(fā)射波形的不稔定都將使接收訊號相應(yīng)改變而被當(dāng)作多普勘訊號接收.造成讀數(shù)誤差.3. 接收器部分：根據(jù)訊號電乎的估算,訊號電平庚幅很大,儀器應(yīng)該能夠適用各種介質(zhì)的不同訊號電平的要求，致小回波訊號為微伏級，因此接收器的最大靈敏度在3網(wǎng)左右、整機(jī)量大增登為130db左右.由于接收部分靈敏度較高，保證儀暴的秘定性能則是首要的任務(wù).通it試毆.造成不穩(wěn)定的干擾訊號主要來自下述幾個方面：工業(yè)干擾；害生掘迓；工作電壓波動等.針對上述干擾問題及訊號特征分析，采取的主蔓嫁合措施如下：采用工作性能稔定的共發(fā)共基電路；采取卑帶訊號

13、跟蹤;應(yīng)用限幅調(diào)頻方式提取訊號應(yīng)用低噪聲元器件；應(yīng)用射偶雙建回是提高訊案比；增加訊號處理的判錯功能；其他的抗干擾措施如屏敲等.二、儀器功能與電、聲參數(shù)關(guān)系評價一部流速儀的性能.一般包括下述內(nèi)容：適用流速范圍.起轉(zhuǎn)流速值、精度、水力螺距（K值）或訊號數(shù).抗沙與抗，.洋物能力，抗腐蝕性能、幾何尺寸、適瀏水深以及連續(xù)工作時間、保養(yǎng)鯉修等，因?yàn)槌暥嗥绽樟魉賰x采用完全不同的工作原理與訊號傳感方法.其牲能指標(biāo)主要不是決定于機(jī)械性能.而是決定于儀葬的電、聲參數(shù).（-）.水質(zhì)-訊號電平-通頻帶寬度-流速通帶范圖：由訊號電平估算一節(jié)可知，回波訊號的大小與混響體內(nèi)的散射微粒數(shù)及數(shù)徑大小有關(guān),這種散射粒包括微6泡

14、、團(tuán)體微粒、浮游微生物等，忌之包括除水以外的三態(tài)微粒,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),一般流動水又比長期靜態(tài)水訊號較強(qiáng).因此回波訊號電平不僅與水質(zhì)而且與永態(tài)相關(guān).-個接收放大壽的通帶寬度與輸入訊號電平相關(guān).一般說，訊號越大.可通過的頻率范圍越寬.儀容應(yīng)用的多普勒原理正是根據(jù)多普勒訊號量與流速或正比的關(guān)系,儀器通過多普勒訊號的能力（通帶寬度）則決定了流速通帶范圍：因此就有水質(zhì)-訊號電平一通帶寬度一流速通帶范圍的相互關(guān)系.根據(jù)我們分痢在流速儀檢定水槽、動水槽、模型、野外試驗(yàn)及室內(nèi)測試數(shù)據(jù).其關(guān)系如表1所示.這里靂要強(qiáng)調(diào)的是儀器的通帝寬度是可以調(diào)節(jié)的,因此適測流速范囿也可根將需要進(jìn)行調(diào)整.由于水質(zhì)情況很復(fù)雜，儀器遍帶

15、范圍也可調(diào)整，因此所列數(shù)據(jù)僅供參考.表，水質(zhì)、訊號電平、施速通帶范圍（二）、靈敏度.分辨率與多普勒訊號數(shù)水質(zhì)費(fèi)況訊號電平SV）流速通帶范圖（m/s）各注著爆清潔水20.0B-130.01-8如檢定水槽50.01-7動太清潔永自來水100-10低庫濁度水灣潔丑河水20。12長it水較大合計(jì)量水質(zhì)30。15600-20以上100為了便于比較.這里所指靈敏度系指儀器能珅應(yīng)的皴低流速值；分拂率系指儀器輸出一個訊與所代表的流程,分別相應(yīng)于機(jī)械式流速儀的起動流速與K值.這是表征儀器性能的兩個重要指標(biāo).轉(zhuǎn)于式流逑儀套整兩百年的發(fā)屢史，其重要的一個方面就是為降低起動流速以擴(kuò)大測試范圍,降低K值戒增加訊號數(shù).以

16、提高儀器測量精度的過程.蕙聲多蘇勒流速儀，不存在機(jī)披轉(zhuǎn)子.沒有機(jī)械慣性與轉(zhuǎn)動摩擦,因此沒有起動流速的問題,而且不需具C值校正.分辨率或者訊號?。▎挝涣鞒痰挠嵦柫浚┦翘岣呙诹烤群妥鳂I(yè)效率的先決條件.多普勒訊號量由測速公式?jīng)Q定：。一一cff<C0S（+COSj）°其中：C水中聲速.f一工作頻率，%.。2一向與發(fā)射聲軸和接受聲軸的夾角.九一多普勒訊號欺.在我們儀器中.每1m/s流速約為6400個訊號,即分捎率可以達(dá)到0.0156Cm,但是為了使敗據(jù)處理部分筒單一些,顯示流速的分辨率為1Cm.由表2可知,超聲多誓勒儀驀較機(jī)械式儀馨分辨率提高了一個數(shù),級以上.同時由于它對流速響應(yīng)實(shí)時,

17、因此可以實(shí)現(xiàn)快速測童、整時流速與時灼流速測童及流速過程線等.表2靈敏度（或起動流速）、分凋率（或K值）比較（三）、抗眼浮能力與抗調(diào)制性能僅尊靈墮型號短動流速（m/s）分薛卓成Ktt（m）波杯式LS680.20.88LS88-10.020.B8WATTS英國0.070.701Price-A<®0030.863LS25-10.06（1號架）0.250.2（2號漿）0.80LS2&-1A0.060.26LS25-30.050.25LS100.10.1LS1206B0.070.12Ott.C-31BH0.030.254超,多普彰式LSW-100.01一般地說.明渠湄流、農(nóng)業(yè)排灌

18、、工業(yè)排水等，都程度不同地伴隨著不同H岸物，因此儀暴抗氏淳物能力是儀器重要性能之一.艦聲多誓勒流速儀抗次淳能力主畏是兩個方面：-是因?yàn)椴淮嬖谵D(zhuǎn)動部分.飄洋物的緩繞不會使儀器停止工作以至損壞儀器，二是規(guī)聲波是一種機(jī)械弟性波.對一/物質(zhì)都有一定的滲透能力.因此當(dāng)一律物緩繞僅厚，芯至符發(fā)射圖d或接收身n歡住時.其中一部分超聲波能量仍然可展射it去,儀器仍妣可以嫌埃正常工作，當(dāng)賬比較厚的職拍物除外.另一種倩況是當(dāng)胴淳。通過傳感器菌面的混響區(qū)時一部分能量被耳浮物反射后為接收器所按收，由于眼岸物的運(yùn)動速度與水流速度不一樣，這部分反射能董對回波訊號進(jìn)行調(diào)制.調(diào)例深度說反射波的僵崗而定.因此儀器本身對訊號的抗

19、調(diào)制性能在一定螯度上代表儀器的抗，浮能力.由于體積混響區(qū)的體秋很小，耳淳4逋過的時間概率也是相對很小的,遍過微機(jī)的判錯功事，可使抗胴岸物能力進(jìn)一步提高.（四）、壓電簿僚傳感器的應(yīng)用待長傳感卷主要感應(yīng)件是壓電尚斐片,由防腐蝕性材料完全宙甘，逋過聲能的福射實(shí)現(xiàn)非接觸式的流逑測量.它的應(yīng)用特長主要是：1. 微型.其迎水面的面積為2x1cm能適應(yīng)水X>3cm的流場測量.2. 由于不存在機(jī)械摩損,不存在進(jìn)沙的何息，具有抗腳蝕性能，因此能適在長期連嬪測量的戛求.3. 使用維修方便.不雷要特殊的保桃、維修及檢定.（五）、微機(jī)的應(yīng)用.使,流技術(shù)出現(xiàn)斬新的面貌埠合以上所述,起聲多普勒流速儀的主要將點(diǎn)可以歸納為：具有很霓的流速通帶范屈，而且不存在流速儀所特有的K值與C值，為蒙據(jù)處理提供極大方便；極高的分辨率和對流速的實(shí)時聃應(yīng).不僅為快速準(zhǔn)確測量提供可能，而且能測定哺時流速和流速脈功情況，為研究永流運(yùn)行規(guī)倬提供測試手段