两级放大，中心频率5MHz的水声回波电信号放大2000倍，同时其他频率的噪声被抑制衰减。单片机STM32F407产生的4.545MHz方波信号通过本振信号发生电路产生一个频率为4.545MHz的本振信号，在混频器中与放大了的水声回波电信号混频输出一个455KHz左右的正弦信号。第二和第三可控增益放大器芯片均为TLE2426C。混频电路芯片为AD835。DS18B20数字温度传感器提供一个9_Bit到12-Bit摄氏温度测量精度，并且采用1-Wire总线实现温度的测量。压力模块的压力传感器采用扩散硅芯体，即硅压阻式芯体。芯体工作原理采用恒流式激励原理，MAX6025产生一个2.5V基准源和高精度5K电阻共同组成恒流式激励电流源。在本实施例中，通信模块为485通信模块通过导线将单片机中存储的流速数据传输到电脑上，并通过电脑的显示器显示为可以直观看到的流速值。
[0057]压力采集模块采用高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATMEGA16A芯片控制，并且通过TTL电平实现与外界的数据传输。由AD7791BRM型号的AD转换芯片转换的数字量代Ay = kx+b，其中k和b都是经过拟合计算得到的压力系数，X为转换的数字量，代入计算即可得到压力值，并且通过TTL方式把压力数据发送给STM32F407。
[0058]实施例2:
[0059]如图4所示，一种应用实施例1所述声学多普勒流速测量仪的流速测量法，包括以下步骤:
[0060]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；
[0061]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；
[0062]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:
[0063]X (η τ ) = R(η τ ) + jI (η τ )(I)
[0064]令\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:
[0065]R(n τ ) = Ar*cos (ω 0*η τ )(2)
[0066]I (η τ ) = Ar*sin (ω 0*η τ )(3)
[0067]步骤4:估计多普勒频移，由以下具体步骤组成:
[0068]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:
[0069]S1= R(n τ ) *1 [ (η+1) τ ]-1 (η τ ) *R[ (η+1) τ ](4)
[0070]S2= R(n τ ) *R[ (η+1) τ ]+Ι (η τ ) *1 [ (η+1) τ ](5)
[0071]步骤4-2:计算多普勒频移中心频率:
[0072]fa= [I/(2η τ ) ] *arc tg (Σ S ^ Σ S2)(6)
[0073]步骤5:测量流速V:
[0074]V = C*fa/4* JT *co0*cos α(7)
[0075]其中，C为所述接收换能器阵附近的声速，计算方法为:
[0076]C = 1449.2+4.6u_0.055u2+0.29*l(T3*u3(8)
[0077]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。
[0078]上述实施例仅用于解释说明本发明，而非对本发明权利保护的限定，凡是在本发明本质方案的基础上进行的任何非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种声学多普勒流速测量仪，其特征在于: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。
2.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于:所述单片机为STM32F407。
3.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于: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。
4.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于: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。
5.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于: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。
6.根据权利要求5所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于:所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
7.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于:还包括压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。
8.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于: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。
9.一种应用权利要求1所述声学多普勒流速测量仪的流速测量法，其特征在于:包括以下步骤: 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； 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； 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: X (η τ ) = R(η τ ) + jI (η τ )(I) 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: R(n τ ) = Ar*cos(to0*n τ )(2) I (η τ ) = Ar*sin(to0*n τ )(3) 步骤4:估计多普勒频移，由以下具体步骤组成: 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:S1= R (η τ ) *1 [ (η+1) τ ] -1 (η τ ) *R [ (η+1) τ ](4)S2= R (η τ ) *R [ (η+1) τ ] +I (η τ ) *1 [ (η+1) τ ](5) 步骤4-2:计算多普勒频移中心频率: fa= [1/(2η τ )]*arc tg(XS !/SS2)(6) 步骤5:测量流速V: V = C*fa/4* JT *co0*cos a(7) 其中，C为所述接收换能器阵附近的声速，计算方法为: C = 1449.2+4.6u-0.055u2+0.29*l(T3*u3(8) 其中u为所述接收换能器阵附近的海水温度，V 为声线与水平方向的夹角。
【专利摘要】本发明公开了一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法。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。流速测量方法包括发射测量信号、接收水声回波超声波信号、选频放大水声回波电信号、估计多普勒频移和测量流速步骤。它采用5MHz测量信号，通过自相关算法计算多普勒频移测量流速，对水体粒子要求低，测量范围较宽，精确度较高。
【IPC分类】G01P5-24
【公开号】CN104865404
【申请号】CN201510334570
【发明人】王三名, 范寒柏, 袁野, 万福海, 苑文
【申请人】王三名
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月17日