一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流速测量仪和流速测量方法，尤其是一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法，属于水声测量仪器技术领域。
【背景技术】
[0002]自从20世纪80年代，我国城市污水处理已经在各方面有了很大的进展，但是其形势仍然极其严峻。我国目前淡水资源相当短缺，而且我国目前的水污染形势较严峻，特别是城市污水的排放对地表水和地下水水质的影响非常突出。
[0003]但由于我国污水处理起步较晚、基础较差，处理设施严重不足，城市排水管网普及率及管道收集率较低。现有的接触式水流流速测量仪，按照水流速传感器的不同有螺旋桨式和旋杯式等，其还存在着设计水平低、设备质量低、运行稳定性较差等诸多问题。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:提供一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法。
[0005]本发明所采取的技术方案是:
[0006]技术方案一:
[0007]一种声学多普勒流速测量仪，包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。
[0008]所述单片机为STM32F407。
[0009]所述发射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。
[0010]所述接收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接所述混频电路的相应输入端；所述接收换能器包括压电陶瓷片；所述谐振放大电路和第一可控增益放大器的中心频率均为5MHZ ;所述第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器的中心频率均为455KHZ ;所述本振信号发生电路输出4.545MHz正弦信号。
[0011]所述的声学多普勒流速测量仪，还包括用于测量水温的温度补偿模块，所述温度补偿模块与单片机双向连接；所述温度补偿模块包括数字温度传感器。
[0012]所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
[0013]所述的声学多普勒流速测量仪，还包括压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。
[0014]所述的声学多普勒流速测量仪，还包括电源模块，所述电源模块输入+12v电压，输出+6v电源电压、+5v电源电压和+3.3v电源电压；所述+6v电压为所述发射模块供电；所述+5v电源电压为所述接收模块供电，所述和+3.3v电源电压为所述控制电路、温度补偿模块、压力模块和单片机供电。
[0015]技术方案二:
[0016]一种应用技术方案一所述声学多普勒流速测量仪的流速测量法，包括以下步骤:
[0017]步骤1:发射测量信号:所述发射模块发射5MHz的超声波测量信号；
[0018]步骤2:接收水声回波超声波信号:所述接收模块接收水声回波超声波信号，将其转换为水声回波电信号；
[0019]步骤3:选频放大水声回波电信号:所述接收模块以5MHz为中心频率选频放大所述水声回波电信号，将其输出至所述单片机；所述单片机内置采样模块对其离散化后的采集信号为:
[0020]Χ(η τ ) = R(n τ )+jI(n τ )(I)
[0021]令4为幅度，ω ^为多普勒频移角频率，τ为取样周期，所述采集信号的实部和虚部分别为:
[0022]R(n τ ) = Ar*cos (ω 0*η τ )(2)
[0023]I (η τ ) = Ar*sin (ω 0*η τ )(3)
[0024]步骤4:估计多普勒频移，由以下具体步骤组成:
[0025]步骤4-1:对所述采集信号的实部和虚部进行互相关处理，得到:
[0026]S1= R(n τ ) *1 [ (η+1) τ ]-1 (η τ ) *R[ (η+1) τ ] (4)
[0027]S2= R(n τ )*R[(n+l) τ ]+Ι(η τ )*Ι[(η+1) τ ](5)
[0028]步骤4-2:计算多普勒频移中心频率:
[0029]fa= [1/(2η τ )]*arc tg(XS /XS2)(6)
[0030]步骤5:测量流速V:
[0031]V = C*fa/4* JT *co0*cos a(7)
[0032]其中，C为所述接收换能器阵附近的声速，计算方法为:
[0033]C = 1449.2+4.6u_0.055u2+0.29*l(T3*u3 (8)
[0034]其中u为所述接收换能器阵附近的海水温度，°C;a为声线与水平方向的夹角。
[0035]本发明的有益效果是:
[0036]1、本发明通过自相关算法计算多普勒频偏测量流速，对水体的粒子要求较低，测量范围较宽，精确度较高。
[0037]2、本发明采用5MHz测量信号，对水中细微颗粒物更加敏感，测量精度更高。
[0038]3、本发明数据采集时间间隔为10s，数据采集更加，实时性更好。
[0039]4、本发明增加了温度补偿电路，对测量结果进行温度补偿，解决了声波的传播速度受到水温影响的问题。
[0040]5、本发明增加了压力电路，实现水深、温度和流速的综合测量。
[0041]【附图说明】书
[0042]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0043]图1是本发明实施例1的原理框图；
[0044]图2是本发明实施例1中发射模块的原理框图；
[0045]图3是本发明实施例1中接收模块的原理框图；
[0046]图4是本发明实施例2的流程图。
【具体实施方式】
[0047]实施例1:
[0048]如图1所示，一种声学多普勒流速测量仪，包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。
[0049]所述单片机为STM32F407。
[0050]如图2所示，所述发射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。
[0051]如图3所示，所述接收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接所述混频电路的相应输入端；所述接收换能器包括压电陶瓷片；所述谐振放大电路和第一可控增益放大器的中心频率均为5MHz ;所述第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器的中心频率均为455KHZ ;所述本振信号发生电路输出4.545MHz正弦信号。
[0052]所述的声学多普勒流速测量仪，还包括用于测量水温的温度补偿模块，所述温度补偿模块与单片机双向连接；所述温度补偿模块包括数字温度传感器。
[0053]所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
[0054]所述的声学多普勒流速测量仪，还包括压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。
[0055]所述的声学多普勒流速测量仪，还包括电源模块，所述电源模块输入+12v电压，输出+6v电源电压、+5v电源电压和+3.3v电源电压；所述+6v电压为所述发射模块供电；所述+5v电源电压为所述接收模块供电，所述和+3.3v电源电压为所述控制电路、温度补偿模块、压力模块和单片机供电。
[0056]在本实施例中，所述谐振放大电路为5MHz LC选频放大网络，第一可控增益放大器芯片为LA6018N3515，经过这