基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了本发明公开了一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰装置及方法。由换能器固有频率测试模块、非固有频率换能器激发源、高衰减率窄带通滤波器共同实现。通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率，并选用高衰减率、窄通带的椭圆形滤波器，将超声波风速仪周围环境中的声音、异响、啸叫等外界干扰产生的噪声信号，从实现风速和风向测量的正常信号中剔除。本发明可有效避免外界噪声对超声波风速仪的影响，保证超声波风速仪的测量精度，使用简单，并可广泛应用在二维超声波风速仪和三维超声波风速仪上。
【专利说明】基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于超声波风速仪抗干扰的装置及方法，尤其是一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置及方法，通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率，并选用闻裳减率、窄通带的捕圆形滤波器，将超声波风速仪周围环境中的声首、异响、嘯叫等外界干扰产生的噪声信号从实现风速和风向测量的正常信号中剔除，从而避免外界噪声对超声波风速仪的影响。
【背景技术】
[0002]风速和风向是气象学中的重要参数，这两个参数的测量精准度直接影响到气象预报的准确性。超声波风速仪是一种新型的风速和风向测量仪器。工作时，超声波风速仪在发射换能器端施加激发信号，使得发射换能器向外发射超声波波束。超声波波束在空气中传播，经过一定时间之后，到达接收换能器端，使得接收换能器产生相应的接收信号。当周围环境的风速较大时，超声波波束的传播速度就快，到达接收换能器的传播时间就短，相反，当周围环境的风速较小时，超声波波束的传播速度就慢，到达接收换能器的传播时间就长。从而，超声波风速仪就可以通过计量激发信号和接收信号之间的传播时间，判定出周围环境的风速和风向。超声波风速仪拥有测量精度高、测量范围宽、低功耗等优势，因此，超声波风速仪广泛应用于电力、钢铁、石化、节能等行业。
[0003]为实现超声波风速仪的低功耗性能，并且同时保证超声波风速仪测量风速时的信号强度，超声波风速仪往往选择换能器系统(包含发射换能器与接收换能器）的固有频率作为信号激发和信号接收的工作频率，即发射换能器的激发信号频率，以及接收换能器的接收信号频率，都等于换能器系统的固有频率。
[0004]超声波风速仪工作频率等于换能器系统固有频率的特点，使得超声波风速仪在实际使用过程中，极易受到周围环境中存在的声音、异响、嘯叫等外界噪声的干扰。这是由换能器系统的工作特点所决定的。换能器的作用是实现声音和电信号互相转换，因此换能器在超声波风速仪中是最为关键的传感器。当外界产生噪声时，换能器将对这些噪声有所感应，并将这些噪声转换为电信号。相对于正常的接收信号，由噪声引起的电信号，将使得超声波风速仪误以为超声波波束提前或延后到达接收换能器，导致对超声波波束传播时间的错误计量，从而导致超声波风速仪对风速和风向的测量错误。外界噪声干扰将影响到超声波风速仪的测量精度，严重时甚至导致超声波风速仪无法正常工作。
[0005]为避免外界噪声干扰对超声波风速仪的测量精度的影响，一般采用低通、高通、带通等滤波器的方式来提高超声波风速仪的抗干扰能力。但是，这些滤波器方式存在着一个固有缺点：滤波器虽然可以过滤掉换能器系统固有频率之外的噪声干扰，但由于正常信号的工作频率和换能器系统固有频率相等，因此为保证正常信号的强度，滤波器也将无法过滤掉频率与换能器固有频率相同的噪声信号。
[0006]为避免外界噪声的干扰，也可以采用基于数值计算的现代滤波方法，通过各种数学方法和统计规律，估计出频率与换能器固有频率相同的噪声信号的强度，从而将噪声信号从正常信号里面剔除。但是，为实现这种现代滤波方法，通常要求超声波风速仪的控制器有强大的计算能力和数据处理能力，这不但会直接提高控制器的经济成本，还会大幅度提升超声波风速仪的功耗。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰装置，由换能器固有频率测试模块、非固有频率换能器激发源、高衰减率窄带通滤波器共同实现；
[0008]本发明的另一目的是提供一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰方法，通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率，并选用高衰减率、窄通带的椭圆形滤波器，将超声波风速仪周围环境中的声音、异响、嘯叫等外界干扰产生的噪声信号，从实现风速和风向测量的正常信号中剔除，从而避免外界噪声对超声波风速仪的影响。
[0009]为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
[0010]一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置，其特征在于，包括超声波风速仪的第一发射换能器、第二发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器，还包括换能器固有频率测试模块、非固有频率换能器激发源和高衰减率窄带通滤波器，其中，所述换能器固有频率测试模块的信号输出端连接第一发射换能器和第二发射换能器的信号输入端，所述换能器固有频率测试模块的信号输入端连接第一接收换能器和第二接收换能器的信号输出端；所述非固有频率换能器激发源的信号输出端连接第一发射换能器和第二发射换能器的信号输入端；所述高衰减率窄带通滤波器的信号输出端连接第一接收换能器和第二接收换能器的信号输入端。
[0011]作为补充优化，所述高衰减率窄带通滤波器为椭圆型带通滤波器。
[0012]作为补充优化，所述换能器固有频率测试模块由依次连接的激发放大模块、控制模块、信号接收模块组成。频率测试模块，即常见的扫频装置。
[0013]一种利用上述装置基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0014]步骤一，通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率；设定超声波风速仪（I)的换能器标称频率为f?，换能器固有频率测试模块信号输出端以频率扫描的方式发射频率变化的正弦信号，所述正弦信号的频率扫描范围为（-5 ) KHz到（+5 ) KHz ;频率扫描时，频率每秒增加0. 5KHz ;在此频率扫描过程中，换能器固有频率测试模块信号接收端同步接收并记录接收第一接收换能器和第二接收换能器输出的信号幅值；待频率扫描过程结束后，换能器固有频率测试模块自动判断接收到的信号幅值最大时所对应的激发频率，并将该激发频率作为换能器系统的固有频率，设为f@，并储存在换能器固有频率测试模块内；
[0015]步骤二，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率；所述非固有频率换能器激发源所输出的激发信号为正弦信号，该激发的正弦信号的频率设为f激，f激的频率范围为-I. 5) KHz到（f?固-3. 5) KHz之间；
[0016]步骤三，利用高衰减率窄通带滤波器剔除与固有频率相等的外界噪声引起的干扰信号；设定高衰减率窄通带滤波器的中心频率为f?，f?=fa，从而可以保证正常工作激发信号的低衰减通过，同时保证外界噪声与固有频率频率相等的干扰信号的高衰减截止。
[0017]作为补充优化，所述高衰减率窄通带滤波器可以为有源滤波器或无源滤波器。滤波器一般分成两种，有源滤波器和无源滤波器。滤波器工作时，需要接外部电源的，称为有源滤波器；反之，滤波器工作时，无需接外部电源的，称为无源滤波器。一般而言，有源滤波器带负载能力强一点，但无源滤波器使用更方便一点。
[0018]发明优点：
[0019](I)本发明可有效地消除外界噪声对超声波风速仪正常测量造成的干扰，同时本发明的方法成本较低，工作时功耗也较低。
[0020](2)本发明所述滤波器可由无源或有源方式实现，滤波过程不涉及复杂的数学计
算，应用简单，可靠性高。
[0021](3)本发明可以使用在任意二维式超声波风速仪、三维式超声波风速仪中。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图I是本发明所述装置的实施系统总图。
[0023]图2是换能器固有频率模块内部功能模块框图。
[0024]图3是超声波风速仪换能器系统频率扫描测试结果图。
[0025]图4是本发明所述方`法中选定的工作频率范围图。
[0026]图5是本发明所述方法中提及的椭圆型滤波器的滤波性能图。
[0027]图中：1、超声波风速仪，2A，2B、超声波风速仪发射换能器，3A，3B、超声波风速仪接收换能器，4、换能器固有频率测试模块，4A、激发放大模块，4B、控制模块，4C、信号接收模块，5、非固有频率换能器激发源，6、高衰减率窄带通滤波器。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图及一优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0029]实施例：
[0030]如图I~图2所示：本实施例所揭示的一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置，包括超声波风速仪I的第一发射换能器2A、第二发射换能器2B、第一接收换能器3A和第二接收换能器3B，还包括换能器固有频率测试模块4、非固有频率换能器激发源5和高衰减率窄带通滤波器6，其中，所述换能器固有频率测试模块4的信号输出端连接第一发射换能器2A和第二发射换能器2B的信号输入端，所述换能器固有频率测试模块4的信号输入端连接第一接收换能器3A和第二接收换能器3B的信号输出端；所述非固有频率换能器激发源5的信号输出端连接第一发射换能器2A和第二发射换能器2B的信号输入端；所述高衰减率窄带通滤波器6的信号输出端连接第一接收换能器3A和第二接收换能器3B的信号输入端。
[0031]所述高衰减率窄带通滤波器6为椭圆型带通滤波器。
[0032]所述换能器固有频率测试模块4由依次连接的激发放大模块4A、控制模块4B、信号接收模块4C组成。其中，激发放大模块4A的输出端连接在超声波风速仪的第一发射换能器2A和第二发射换能器2B的信号输入端，信号接收模块4C连接在超声波风速仪的第一接收换能器3A和第二接收换能器3B的信号输出端。
[0033]一种利用上述装置基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰方法，包括以下步骤：
[0034]步骤一：本发明所述方法的应用前提，在于准确地在测量出超声波风速仪换能器系统的固有频率。换能器固有频率测试模块4就是为实现上述功能而设。在超声波风速仪出厂设置时，换能器固有频率测试模块4在其内部的控制模块4B的控制下，通过激发放大模块4A，以频率扫描的方式向第一发射换能器2A和第二发射换能器2B发射频率变化的正弦信号。为提高测试效率，所扫描的频率应有一定的范围。在本发明所述方法的应用中，频率扫描范围的下限值为换能器出厂标称频率f标-5KHz，频率扫描范围的上限值为换能器出厂标称频率f标+5KHz，且频率扫描时，频率以每秒增加的0. 5KHz速度变化。在频率扫描过程中，超声波风速仪I的第一接收换能器3A和第二接收换能器3B将产生相应的正弦信号，且信号幅值随激发频率的改变而改变。换能器固有频率测试模块4内的信号接收模块4C将采集第一接收换能器3A和第二接收换能器3B输出的信号幅值，并将信号幅值储存到控制模块4B内部。频率扫描过程结束后，控制模块4B将自动判断接收到的信号幅值最大时所对应的激发频率，如图3所示，并将该激发频率作为最新的风速仪换能器固有频率f固，储存在控制模块4B内。
[0035]步骤二 ：如图4所示，本发明所述的方法，在实际应用时，需确定超声波风速仪内换能器系统的工作频率，即非固有频率换能器激发源5输出信号的频率。本发明所述的方法将工作频率选取在比超声波风速仪固有频率f固小I. 5KHz到3. 5KHz的范围内，即非固有频率换能器激发源5对第一发射换能器2A和第二发射换能器2B的激发信号的频率f激为（f固-I. 5) KHz到（f固-3. 5) KHz之间。上述工作频率范围的选取，既满足了本发明所述方法对于工作频率不等于换能器系统固有频率的要求，又充分考虑到工作频率离开换能器系统固有频率太远，将导致换能器对工作频率下的激发响应太低的问题。同时，上述工作频率范围的选取，还充分考虑到`工作频率离换能器系统固有频率太近，将导致后续窄带滤波器的带宽将过窄，从而导致滤波器的实现过于困难。
[0036]同时，为保证在所选取的工作频率下的第一接收换能器3A和第二接收换能器3B的接收信号幅值明显大于由周围环境噪声引起的白噪声信号幅值，在所选取的工作频率下的激发电压信号的幅值应相应提升，一般可提升至第一发射换能器2A和第二发射换能器2B标称的额定工作电压的130%~150%，但同时以不超过第一发射换能器2A和第二发射换能器2B标称的最大工作电压为宜。
[0037]步骤三：如图5所示，本发明所述的方法中所要求的高衰减率窄带通滤波器6为椭圆型带通滤波器，其中心频率f滤等于选定的工作频率f激，带宽为2KHz。本发明所述的高衰减率窄带通滤波器6，应保证正常工作信号的低衰减通过，同时保证噪声引起的且频率与固有频率f固相等的干扰信号的高衰减截止。本发明所述的高衰减率窄带通滤波器6可以有源滤波器的方式或无源滤波器的方式实现。
[0038]本发明所述方法的工作原理和工作过程为：非固有频率换能器激发源5输出正弦激发信号f?激，且该正弦信号的频率不等于超声波风速仪换能器系统的固有频率f?固。该正弦激发信号f激施加到第一发射换能器2A和第二发射换能器2B上后，第一发射换能器2A和第二发射换能器2B将产生并发射超声波波束。超声波波束到达第一接收换能器3A和第二接收换能器3B后，第一接收换能器3A和第二接收换能器3B将产生频率与激发信号频率f激相等的正弦接收信号。由于上述正弦接收信号的频率与椭圆型滤波器6的中心频率f滤相等，且正弦接收信号的频率位于椭圆型滤波器6的带宽之内，因此，正弦接收信号将通过椭圆型滤波器6，输入到超声波风速仪I内部，以计算周围环境的风速和风向。当外界的声音、异响、嘯叫等外界干扰引起第一接收换能器3A和第二接收换能器3B产生噪声信号时，由于噪声信号的频率等于换能器系统的固有频率f固，同时由于噪声信号的频率不等于椭圆型滤波器6的中心频率f滤，且噪声信号的频率位于高衰减率窄带通滤波器6的带宽之外，因此，噪声信号将无法通过高衰减率窄带通滤波器6。从而，本发明所述的方法，成功地消除了外界噪声对超声波风速仪I正常工作的干扰。
[0039]需要指出的是，以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图据以对本发明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。
【权利要求】
1.一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置，其特征在于，包括超声波风速仪（I)的第一发射换能器（2A)、第二发射换能器（2B)、第一接收换能器（3A)和第二接收换能器（3B)，还包括换能器固有频率测试模块（4)、非固有频率换能器激发源（5)和高衰减率窄带通滤波器（6)，其中，所述换能器固有频率测试模块（4)的信号输出端连接第一发射换能器（2A)和第二发射换能器（2B)的信号输入端，所述换能器固有频率测试模块（4)的信号输入端连接第一接收换能器（3A)和第二接收换能器（3B)的信号输出端；所述非固有频率换能器激发源（5)的信号输出端连接第一发射换能器（2A)和第二发射换能器（2B)的信号输入端；所述高衰减率窄带通滤波器（6)的信号输出端连接第一接收换能器（3A)和第二接收换能器（3B)的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置，其特征在于，所述高衰减率窄带通滤波器（6)为椭圆型带通滤波器。
3.根据权利要求2所述的基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置，其特征在于，所述换能器固有频率测试模块（4)由依次连接的激发放大模块（4A)、控制模块（4B)、信号接收模块（4C)组成。
4.一种利用如权利要求1~3任一项所述装置基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率；设定超声波风速仪（I)的换能器标称频率为f 换能器固有频率测试模块（4)信号输出端以频率扫描的方式发射频率变化的正弦信号，所述正弦信号的频率扫描范围为（-5 )KHz到（fg+5 )KHz ;频率扫描时，频率每秒增加0. 5KHz ;在此频率扫描过程中，换能器固有频率测试模块（4)信号接收端同步接收并记录接收第一接收换能器（3A)和第二接收换能器（3B)输出的信号幅值；待频率扫描过程结束后，换能器固有频率测试模块（4)自动判断接收到的信号幅值最大时所对应的激发频率，并将该激发频率作为换能器系统的固有频率，设为f@，并储存在换能器固有频率测试模块（4)内； 步骤二，选择与换能器系统固有频率￡@相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率；所述非固有频率换能器激发源（5)所输出的激发信号为正弦信号，该激发的正弦信号的频率设为f'激’ 激的频率范围为-I. 5) KHz到（f?固-3. 5) KHz之间； 步骤三，利用高衰减率窄通带滤波器（6)剔除与固有频率相等的外界噪声引起的干扰信号；设定高衰减率窄通带滤波器（6)的中心频率为fwf ，从而可以保证正常工作激发信号的低衰减通过，同时保证外界噪声与固有频率频率相等的干扰信号的高衰减截止。
5.根据权利要求4所述的基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰方法，其特征在于，所述高衰减率窄通带滤波器（6 )可以为有源滤波器或无源滤波器。
【文档编号】G01P13/02GK103558410SQ201310552254
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】赵小春, 孙敏, 崔磊, 徐立中 申请人:苏州斯威高科信息技术有限公司