岳曉庚，任紅偉，周 賓，邱 實,賀文凱，向 鵬

(1.東南大學儀器與工程學院，江蘇南京 210096;2.青海鹽湖工業(yè)股份有限公司研發(fā)中心，青海格爾木 210096)

0 引言

礦井通風可以提供新鮮空氣，排除CH4、CO等有毒有害的氣體，是保證礦井安全生產(chǎn)的基本方法。對礦井風速進行有效的檢測、監(jiān)控，實時掌握井下風速狀況對煤礦安全具有重要意義[1]。目前測速方式大多是傳統(tǒng)接觸式測量方式，例如機械式風表[2]、皮托管流速儀[3]、熱敏式風表[4]等。這些測量方式容易改變測量管道的流場分布，長時間的接觸工作會導致設備磨損從而使得測量結果出現(xiàn)誤差。

近年來聲學技術得到迅速的發(fā)展，很多學者逐漸把聲學法應用到不同的領域[5]，沈國清[6]等采用聲波法測量電站鍋爐煙氣的流速；陳棟[7]等利用聲學技術設計了一套不影響煙氣正常流速的測速實驗裝置。

以上聲學測速裝置是在聲源附近和遠離聲源處分別放置一個聲壓傳感器，通過對2個接收信號進行互相關[8]計算，求出飛渡時間。本文對該測量裝置進行了改進，并且設計了一套測速硬件和軟件系統(tǒng)。

1 測速原理

聲波是發(fā)聲體通過產(chǎn)生振動在空氣或其他物質(zhì)中傳播而形成的，聲波的實際傳播速度主要由聲波在介質(zhì)中的傳播速度和氣體流動的速度所決定。關系如下：

Creal=C+v

(1)

式中：Creal為聲波實際傳播速度的矢量和，m/s；C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；v為聲波傳播方向上氣體的流速，m/s。

聲波在介質(zhì)中傳播，同樣與介質(zhì)成分、溫度和壓力相關[9-10]。相關性表達式為

(2)

式中:R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；γ為氣體的絕熱指數(shù)；T為氣體溫度，K；M為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

不同環(huán)境中溫度和壓強不一樣，導致聲波傳播速度不同。為了僅測量介質(zhì)的流速，使用雙通道測量方法，消除式(2)中的R、T和M參數(shù)。聲學測速原理圖如圖1所示。

圖1 聲學測速原理

揚聲器S1的聲波信號分量與氣體流速方向一致，則：

(3)

式中：LS1M1為S1到M1的距離；tS1M1為S1到M1的時間；α為S1和M1安裝角度，選擇45°。

揚聲器S2的聲波信號分量與氣體流速方向相反，則：

(4)

式中：LS2M2為S2到M2的距離；tS2M2為S2到M2的時間；β為S2和M2安裝角度，選擇45°。

由式(3)和式(4)可推導得：

(5)

聲波飛渡時間的測量會極大影響聲波測速精度，采用互相關計算聲波傳播時間，可以極大提高時間的準確度。

2個信號相關函數(shù)用來描述兩者之間的相似程度，也可以描述一組信號前后不同時刻的相似程度。實際情況下，揚聲器發(fā)出聲波信號和聲壓傳感器接收信號，兩組波形存在很大相似性，但存在一定的相位差，可以通過相關函數(shù)來計算兩個信號相位偏移，如圖2所示。設定揚聲器發(fā)出的信號為X，聲壓傳感器接收的信號為Y，通過互相關函數(shù)計算兩組信號的偏移點Δn，兩路離散信號的互相關函數(shù)R(n)可表示為

圖2 互相關示意圖

(6)

式中：N為一組離散信號采樣長度；n為離散信號設定的偏移點數(shù)；X(i)和Y(i)分別為離散信號第i測量值。

當R(n)取最大值時對應的n即為兩路信號的偏移點Δn，根據(jù)設計的采樣率可以得到聲波的飛渡時間t：

t=Δn/fs

(7)

式中fs為采樣頻率。

2 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)采用FPGA為主控芯片。FPGA具有流水并行和數(shù)據(jù)并行的功能，可以滿足系統(tǒng)兩路聲波信號同時驅(qū)動，4路聲壓信號同時采集的要求。并且FPGA多種時鐘輸出，I/O引腳用戶可配置，輸出驅(qū)動能力強。

系統(tǒng)包括聲波產(chǎn)生模塊、AD采集模塊、USB通訊模塊等。聲波產(chǎn)生模塊經(jīng)過功率放大器驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生聲波信號，聲壓傳感器接收聲波信號由AD采集模塊將數(shù)據(jù)緩存在FPGA內(nèi)部，最后經(jīng)過USB通訊模塊將數(shù)據(jù)傳送到上位機，并對順風和逆風兩路聲波信號做互相關運算，求出tS1M1和tS2M2。其系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

2.1 硬件設計

2.1.1 聲波驅(qū)動電路

FPGA控制AD9746芯片將數(shù)字量轉化成模擬量，生成正弦掃頻信號，通過功率放大器輸出至揚聲器，驅(qū)動揚聲器發(fā)射聲波信號。AD9746具有高動態(tài)范圍、14位分辨率，差分模擬電路輸出可在8.6～31.7 mA滿量程范圍內(nèi)調(diào)整，通過串行外設接口(SPI)端口可提供完全編程能力。采用FPGA輸出的低壓差分信號(LVDS信號)作為該芯片的采樣時鐘。AD9746原理圖如圖4所示。

2.1.2 信號接收電路設計

聲波在礦井傳播過程中，信號的幅值在一定程度上會得到衰減，因此在采集聲波信號之前必須對信號進行放大和濾波處理，前端放大濾波電路關系到整個采集電路的優(yōu)劣，必須選擇低噪聲、低輸入偏置電流運算放大器，ADA4004可以滿足要求。前端放大濾波電路如圖5所示。

圖5 放大濾波電路

AD采集電路使用AD7357芯片，該芯片為差分輸入、雙通道14位SAR ADC、每通道4.2 MSPS,其數(shù)字接口為串行接口，每一個采樣點至少需要16個時鐘周期[11]，由FPGA提供時鐘信號。滿足AD電路的差分輸入，采用低失真差分ADC驅(qū)動器AD8138實現(xiàn)將單端信號轉換成差分信號。其電路圖如圖6所示。

2.1.3 USB接口電路設計

FT2232H是一款具有高速USB轉串行通信協(xié)議的芯片。該芯片最大傳輸速率為480 Mbits/s并且依靠編程可以配置為串行或并行的總線接口方式；具有雙通道傳輸功能，每個通道在芯片內(nèi)部擁有4 kbyte的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存和4 kbyte的接收數(shù)據(jù)緩存；還具有多種接口的工作模式，其中FT245同步模式下最大傳輸速度能夠達到40 Mbyte/s，F(xiàn)T245異步模式最大傳輸速度能夠達到8 Mbyte/s[12-13]。外接EEPROM用于保存FT2232H芯片配置信息。FT2232H接口電路如圖7所示。

圖6 AD7357原理圖

2.2 系統(tǒng)軟件程序設計

2.2.1 FPGA控制程序

FPGA軟件程序建立在Quartus平臺上，采用VerilogHDL硬件描述語言。主要包括PLL、FT2232H讀寫時序控制、AD7357串行數(shù)據(jù)讀取、AD9746掃頻波形發(fā)生。FPGA程序框圖如圖8所示。

2.2.2 LabVIEW與USB通訊

LabVIEW作為USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機部分，需要驅(qū)動程序的支持。在設計驅(qū)動程序時，F(xiàn)TDI公司為USB-FIFO模式提供了軟件接口和動態(tài)鏈接庫文件(.dll)。LabVIEW通過直接調(diào)用ftd2xx.dll里面的API函數(shù)來建立與設備驅(qū)動程序的聯(lián)系[14-15]。在程序設計過程中將動態(tài)鏈接庫中各個函數(shù)做成子VI，便于LabVIEW調(diào)用API函數(shù)。LabVIEW采集信號如圖9所示。

2.2.3 LabVIEW算法模塊

LabVIEW上位機算法模塊主要包括帶通濾波模塊、互相關計算模塊、風速計算模塊等。一段時間內(nèi)不斷調(diào)節(jié)風速，觀察上位機測量結果。風速實時測量和顯示界面如圖10所示。

3 實驗結果分析

設計橫截面積為1 200 mm×1 200mm，沿氣體方向長度為2 m的正方形風道用于模擬礦道，并在聲學測量裝置同一截面處安裝熱敏風速儀。由于實驗條件下背景噪聲主要集中在3 kHz以下，為了避免背景噪聲引起測量誤差，本實驗選取了4～6 kHz的線性掃頻信號，掃頻周期為0.4 s，聲壓級為60 dB。搭建測試平臺，測試距離為3.987 m，LS2M2測試距離為4.002 m；將揚聲器、聲壓傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機之間用相應的數(shù)據(jù)線連接好、上電，讓整個測試系統(tǒng)開始運轉起來。調(diào)節(jié)風機改變風量的大小，將聲學測速系統(tǒng)的實時風速與熱敏風速儀進行對比分析。測速對比見表1。

圖7 FT2232H接口電路

圖8 FPGA程序框圖

圖9 上位機采集信號

圖10 風速實時測量和顯示界面

表1 測速對比表

由表1可知，在不同的風速狀態(tài)下，將聲學測速系統(tǒng)和熱敏風速儀進行對比，風速變化趨勢相同，最大相對誤差為4.47%，從而驗證了聲學測量系統(tǒng)的可行性。

4 結論

本文設計了一套聲學測速硬件電路，主要包括聲波驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸電路等。該電路系統(tǒng)采集精度高，傳輸速率快，并且在傳輸過程中信號穩(wěn)定可靠。

利用LabVIEW軟件開發(fā)了一套數(shù)據(jù)實時采集和同步處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了風速的實時測量。本文對傳統(tǒng)的聲學測速的布置進行優(yōu)化改進，采用了直接將聲源信號和聲壓傳感器采集信號進行互相關算法處理的方法，減少了硬件成本。通過多組實驗對比分析驗證了系統(tǒng)的可行性。