文桂伏，郭子靖，沈洪奇

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ跉庀箢A(yù)報(bào)、風(fēng)力發(fā)電、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要作用。目前主要的風(fēng)速測(cè)量?jī)x器主要有風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)、熱敏式風(fēng)速計(jì)、超聲波風(fēng)速計(jì)，風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)主要存在機(jī)械磨損、有啟動(dòng)風(fēng)速、測(cè)量精度不高、容易受外部環(huán)境影響等缺點(diǎn)。機(jī)械式風(fēng)速儀在磨損后測(cè)量精度會(huì)下降[1]；天氣環(huán)境對(duì)熱敏風(fēng)速計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性也有很大的影響[2]；而超聲波測(cè)風(fēng)儀不存在磨損、反應(yīng)速度快、測(cè)量精度高[3]，被廣泛應(yīng)用在各種對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合。國(guó)外三維超聲波風(fēng)速儀測(cè)量精度高但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)尚無(wú)可以替代產(chǎn)品。本文開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)場(chǎng)三維測(cè)量的系統(tǒng)，具有工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 測(cè)風(fēng)的基本原理

本系統(tǒng)采用的測(cè)風(fēng)原理為超聲波時(shí)差法，采用三維超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向[4]。時(shí)差法分為直接時(shí)差法、頻差法和相位差法[5]，本系統(tǒng)采用直接時(shí)差法。當(dāng)3對(duì)換能器的距離固定時(shí)，使用切換開關(guān)控制換能器收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)多對(duì)換能器依次發(fā)出超聲波和接收超聲波，用計(jì)時(shí)芯片測(cè)量超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)中的飛行時(shí)間，通過(guò)風(fēng)速與飛行時(shí)間的關(guān)系得到3個(gè)方向上的風(fēng)速分量，由矢量合成原理得出總的風(fēng)速值，用水平面內(nèi)的風(fēng)速分量求出風(fēng)向。本系統(tǒng)采用的三維正交型測(cè)風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，與直角坐標(biāo)系重合[6]。

測(cè)風(fēng)陣列如圖1[6]所示，以3對(duì)換能器的軸線為坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系，在安裝時(shí)使系統(tǒng)盡可能水平并調(diào)整好方位角。即OY軸的正方向指向正東方向，OX軸的正方向指向正南方向，OZ軸的正方向垂直向上，并假設(shè)3個(gè)軸的正方向?yàn)轫橈L(fēng)方向。3對(duì)換能器分別測(cè)出風(fēng)矢量在3個(gè)坐標(biāo)軸上的分量，假設(shè)OY軸、OX軸及OZ軸上的分量分別為Vy、Vx、Vz，假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為C，風(fēng)速為V，正對(duì)的2個(gè)換能器均為收發(fā)一體并且間距都為L(zhǎng)，取L=20 cm。假設(shè)3個(gè)軸上超聲波順風(fēng)傳播的時(shí)間分別為tOR、tOQ、tOP，逆風(fēng)傳播的時(shí)間分別為tRO、tQO、tPO，則風(fēng)速的計(jì)算為

圖1 三維正交型測(cè)風(fēng)陣列示意圖

2 三維超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括STM32最小系統(tǒng)、換能器驅(qū)動(dòng)電路和超聲信號(hào)處理電路、HMC5883L地磁芯片及CD4097多路選擇器、傾角傳感器SCA100T及模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705外圍電路、RS485通信接口、TDC-GP22外圍電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 換能器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

TDC-GP22時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用3 V的線性電源進(jìn)行供電，其FIUP_UP引腳也只能產(chǎn)生峰峰值為3 V的200 kHz方波，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波，所以使用驅(qū)動(dòng)電路對(duì)方波進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電路采用中頻變壓器進(jìn)行升壓，方波經(jīng)過(guò)一個(gè)限流電阻后接到NPN型三極管的基極，三極管的發(fā)射極接到AGND，變壓器原端方波的幅值為5 V，原端接5 V電源提高了變壓器的驅(qū)動(dòng)功率，變壓器的副端與換能器相連。

圖3 換能器驅(qū)動(dòng)電路

2.3 超聲信號(hào)調(diào)理電路

換能器產(chǎn)生的回波信號(hào)峰峰值一般為幾十毫伏且伴隨噪聲信號(hào)，不能觸發(fā)TDC-GP22的STOP單元，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)超聲波飛行時(shí)間的測(cè)量，所以換能器產(chǎn)生的回波信號(hào)要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大和濾波處理。信號(hào)調(diào)理電路的原理圖如圖4所示，電路采用2個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成四階巴特沃斯型帶通濾波器，采用兩級(jí)放大電路進(jìn)行放大，可以通過(guò)反饋電阻進(jìn)行調(diào)整放大倍數(shù)，放大倍數(shù)會(huì)影響輸出波形的穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)過(guò)大時(shí)波形出現(xiàn)失真和抖動(dòng)，使得TDC-GP22測(cè)量的超聲波飛行時(shí)間有很大的波動(dòng)，反而會(huì)影響風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的精度。

圖4 回波信號(hào)調(diào)理電路

3 三維超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化的方式編寫程序[7]。上電后先對(duì)各個(gè)接口進(jìn)行初始化，STM32通過(guò)SPI接口給TDC-GP22發(fā)送地址和數(shù)據(jù)配置相應(yīng)的寄存器。然后發(fā)送相應(yīng)的測(cè)量指令完成超聲波飛行時(shí)間的測(cè)量，再代入上面的計(jì)算公式得出風(fēng)速風(fēng)向。利用AD7705采集SCA100T輸出的電壓值，STM32通過(guò)SPI接口讀取AD7705的轉(zhuǎn)換值后計(jì)算出系統(tǒng)的傾角，通過(guò)IIC接口讀取HMC5883L測(cè)量的系統(tǒng)的方位角，還包括串口通信程序設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 超聲波飛行時(shí)間數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)先進(jìn)行無(wú)風(fēng)狀態(tài)下的飛行時(shí)間測(cè)量，因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)中存在噪聲及波形的抖動(dòng)，所以超聲波飛行時(shí)間也存在較大的波動(dòng)，數(shù)據(jù)的波動(dòng)會(huì)影響測(cè)量的精度。本系統(tǒng)采用平均值法濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一個(gè)方向上進(jìn)行30次測(cè)量，取平均值作為這個(gè)方向上測(cè)量的時(shí)間值，原始數(shù)據(jù)及濾波后的數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)平均值法濾波后，測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)從原始數(shù)據(jù)的5 μs左右減小到濾波后的1.5 μs左右。

圖6 原始數(shù)據(jù)和濾波后的數(shù)據(jù)

5 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量之后，將系統(tǒng)置于自制的小型風(fēng)洞中進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。使用型號(hào)為AS8336的葉輪式風(fēng)速儀作為比對(duì)儀器，AS8336型風(fēng)速儀的分辨率為0.001 m/s，風(fēng)速測(cè)量誤差為±3%，最大量程為30 m/s，能夠滿足本系統(tǒng)標(biāo)定的需求。此時(shí)系統(tǒng)X軸的傾角為1.201°，Y軸傾角為-0.179°，方位角為0.173°。

圖7 風(fēng)洞中的測(cè)風(fēng)測(cè)試

風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，參考風(fēng)速由AS8336葉輪式風(fēng)速儀測(cè)量，并由風(fēng)杯式風(fēng)速儀進(jìn)行校正得到，系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)速指的是本文設(shè)計(jì)的三維測(cè)風(fēng)系統(tǒng)測(cè)量得到的風(fēng)速。

表1 參考風(fēng)速與系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)速m/s

使用不同擺放位置對(duì)風(fēng)向進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)向測(cè)量的絕對(duì)誤差均小于±2°，系統(tǒng)對(duì)風(fēng)向的測(cè)量有較高的精度。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，本文開發(fā)的測(cè)風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速測(cè)量的絕對(duì)誤差在±0.2 m/s以內(nèi)。外界環(huán)境、硬件電路、傳播過(guò)程中的延時(shí)、軟件算法都會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響[2]。方波信號(hào)需要經(jīng)過(guò)換能器之間的傳播及切換開關(guān)、收發(fā)電路才能回到TDC-GP22，計(jì)時(shí)芯片得到的時(shí)間值略大于超聲波在2個(gè)換能器之間的飛行時(shí)間，這就導(dǎo)致了計(jì)算出來(lái)的風(fēng)速風(fēng)向存在系統(tǒng)誤差，此外在測(cè)量過(guò)程中還存在隨機(jī)誤差。

6 結(jié)語(yǔ)

開發(fā)了一種200 kHz三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)，采用3對(duì)換能器構(gòu)成正交型的測(cè)風(fēng)陣列。主要包括各部分的硬件電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的程序流程圖，設(shè)計(jì)和調(diào)試的過(guò)程中采用模塊化的方法，提高了開發(fā)的效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定和誤差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速測(cè)量的絕對(duì)誤差小于±0.2 m/s，風(fēng)向測(cè)量誤差小于±2°。具有較高的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)功耗低，測(cè)量精度較高，能滿足實(shí)際工程應(yīng)用，適用于對(duì)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合。