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(dòng)化研究所鄧昌閭0.80.60.2一、對(duì)超聲多普勒流速訊號(hào)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(cè)童沆速的方式，對(duì)多卡勒回波訊號(hào)的認(rèn)識(shí)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(hào)的特征：應(yīng)用翅聲多普勒效應(yīng)來測(cè)量流速，多普勒訊號(hào)的傳遞主旻是冠過流體中曷浮微粒對(duì)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(gè)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(gè)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(hào)頻譜或能it譜,根據(jù)波動(dòng)學(xué)的原理和知聲多普勒測(cè)速的具體情況，我們?cè)趯?duì)翅聲波多普勒法測(cè)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(gè)子波共同貢獻(xiàn)的結(jié)果，比單個(gè)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(hào).根據(jù)此一做射子波的做射圖形的分析.回波訊號(hào)并非單一頻率的正弦波，而是一種混晌訊號(hào).此種訊號(hào)的特征與儀暑姑

3、構(gòu)和沆杰相關(guān).并從對(duì)測(cè)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(jí)工程師等,通過實(shí)踐.在各自的論文中，從訊號(hào)的敘it特性角度.論涉了體積混響對(duì)多普勒庵流計(jì)回波訊號(hào)的it晨機(jī)制.主旻有四種因素（2）:1流速梯度與湍流對(duì)訊號(hào)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(gè)小區(qū)將產(chǎn)生各種須率與相債的疊加，形成對(duì)中心頻率訊號(hào)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(dòng)的影響.3. 換能耳在隨機(jī)非均勻介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的回波信號(hào)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(duì)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(duì)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(dòng)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(hào)數(shù).在流速為5m/s時(shí),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(dòng)與液浪所產(chǎn)生的界面反射對(duì)舊波訊號(hào)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(hào)是一種很麥雜的混響訊號(hào).訊號(hào)譜展的結(jié)果會(huì)使訊號(hào)交得模糊與不林定.彩槽流速的檢河精度，嚴(yán)重時(shí)使儀落完全不能工作.為了獐少譜展所產(chǎn)生的測(cè)量謖差,根據(jù)明果測(cè)流的具體情況及分析訊號(hào)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(hào)的處理.測(cè)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(hào)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?qǐng)?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(shí)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(duì)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(shí)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(gè)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(shí)，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(hào)電平估算：由發(fā)射器發(fā)射的電訊號(hào)劇接收容接收到的電訊號(hào)、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(shí).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(hào)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(gè)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(shí).則TL伊一40db,由此可見：不同的粒徑與不同的濃度對(duì)混響損耗產(chǎn)生極大的影響，同樣的對(duì)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(hào)電

10、平.粗略估算的目的在于了解訊號(hào)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(hào)非常徵房，據(jù)黃料提供數(shù)據(jù)其訊號(hào)電平約為35“V范圖,最大訊號(hào)電平與株小訊號(hào)電平可招是34個(gè)數(shù)量級(jí).我們?cè)谛Ｕ墼囼?yàn)結(jié)果，訊號(hào)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(duì)回波訊號(hào)特征的分析與訊號(hào)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(hào)椅征的分析與訊號(hào)電平的估算，回波訊號(hào)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(cè)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(hào)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(chǎng)（水深不小于3cm）和不同水質(zhì)的測(cè)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(hào)相應(yīng)改變而被當(dāng)作多普勘訊號(hào)接收.造成讀數(shù)誤差.3. 接收器部分：根據(jù)訊號(hào)電乎的估算,訊號(hào)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(hào)電平的要求，致小回波訊號(hào)為微伏級(jí)，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(hào)主要來自下述幾個(gè)方面：工業(yè)干擾；害生掘迓；工作電壓波動(dòng)等.針對(duì)上述干擾問題及訊號(hào)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(hào)

13、跟蹤;應(yīng)用限幅調(diào)頻方式提取訊號(hào)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(hào)處理的判錯(cuò)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(píng)價(jià)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(hào)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(shí)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(hào)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(hào)電平-通頻帶寬度-流速通帶范圖：由訊號(hào)電平估算一節(jié)可知，回波訊號(hào)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(dòng)水又比長(zhǎng)期靜態(tài)水訊號(hào)較強(qiáng).因此回波訊號(hào)電平不僅與水質(zhì)而且與永態(tài)相關(guān).-個(gè)接收放大壽的通帶寬度與輸入訊號(hào)電平相關(guān).一般說，訊號(hào)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(hào)量與流速或正比的關(guān)系,儀器通過多普勒訊號(hào)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(hào)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(dòng)水槽、模型、野外試驗(yàn)及室內(nèi)測(cè)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(cè)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(hào)電平、施速通帶范圍（二）、靈敏度.分辨率與多普勒訊號(hào)數(shù)水質(zhì)費(fèi)況訊號(hào)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(dòng)太清潔永自來水100-10低庫濁度水灣潔丑河水20。12長(zhǎng)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(gè)訊與所代表的流程,分別相應(yīng)于機(jī)械式流速儀的起動(dòng)流速與K值.這是表征儀器性能的兩個(gè)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(gè)方面就是為降低起動(dòng)流速以擴(kuò)大測(cè)試范圍,降低K值戒增加訊號(hào)數(shù).以

16、提高儀器測(cè)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(dòng)摩擦,因此沒有起動(dòng)流速的問題,而且不需具C值校正.分辨率或者訊號(hào)敗（單位流程的訊號(hào)量）是提高泌量精度和作業(yè)效率的先決條件.多普勒訊號(hào)量由測(cè)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(hào)欺.在我們儀器中.每1m/s流速約為6400個(gè)訊號(hào),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(gè)數(shù),級(jí)以上.同時(shí)由于它對(duì)流速響應(yīng)實(shí)時(shí),

17、因此可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)童、整時(shí)流速與時(shí)灼流速測(cè)童及流速過程線等.表2靈敏度（或起動(dòng)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(hào)短動(dòng)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(hào)架）0.250.2（2號(hào)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(gè)方面：-是因?yàn)椴淮嬖谵D(zhuǎn)動(dòng)部分.飄洋物的緩繞不會(huì)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(duì)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(shí).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(shí)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(dòng)速度與水流速度不一樣，這部分反射能董對(duì)回波訊號(hào)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(duì)訊號(hào)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(shí)間概率也是相對(duì)很小的,遍過微機(jī)的判錯(cuò)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(zhǎng)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(cè)量.它的應(yīng)用特長(zhǎng)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(chǎng)測(cè)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(zhǎng)期連嬪測(cè)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(duì)流速的實(shí)時(shí)聃應(yīng).不僅為快速準(zhǔn)確測(cè)量提供可能，而且能測(cè)定哺時(shí)流速和流速脈功情況，為研究永流運(yùn)行規(guī)倬提供測(cè)試手段