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1、2016年儀表技術(shù)與傳感器2016第4期InstrumentTechniqueandSensorNo．4基于超聲波多普勒效應(yīng)的管道流速測(cè)量的研究范寒柏，左保收，賈少栓，陶丹(華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定071000)摘要：時(shí)差法作為一種傳統(tǒng)的測(cè)流原理，由于存在安裝難度大、機(jī)械制造精度要求高和時(shí)間截取準(zhǔn)確度要求高等因素，造成時(shí)差法測(cè)流存在一些不確定性，可能無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映水層的瞬時(shí)流速。針對(duì)上述問(wèn)題，運(yùn)用超聲波多普勒效應(yīng)，即水層與流速儀存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲波的反射信號(hào)將產(chǎn)生相應(yīng)的多普勒頻偏，研究并設(shè)計(jì)了一套完整的以sTM32F407VGT6為核心處理芯片的超聲波發(fā)射電路和微弱
2、超聲波信號(hào)接收處理電路，介紹了基于復(fù)調(diào)制的ZoomFFT的基本原理，同時(shí)成功地運(yùn)用到了管道流速測(cè)量的算法當(dāng)中，并取得了良好的測(cè)試效果。關(guān)鍵詞：時(shí)差法；超聲波；多普勒效應(yīng)；頻移；復(fù)調(diào)制；流速測(cè)量中圖分類號(hào)：TH815文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002—1841(2016)04—0101—04ResearchofPipelineFlowMeasurementBased0nUltrasonicDopplerEfect～～FANHan—bai，ZUOBao—shou，JIAShao—shuan，TAODan(DepartmentofElectronicsandCommunicationEngi
3、neering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Baoding071000，China)Abstract：Asthetraditionalprincipleofflowmeasurement，withthefactorsofinstallationdifficulty，highprecisioninma—chinerymanufacturingandfinetime-interceptingrequirement，thetimediferencemethodhassomeuncertainty，resultingininac—curaterefle
4、ctinginreal—timeinstantaneousflowrateoftheaqueouslayer．Aimingattheaboveproblems，theultrasonicdopplereffectwasused，thatis，whenthereisarelativemotionbetweenwaterlayerandflowmeasuringinstrument，soundwavesreflectedsignalwillproduceacorrespondingdopplerfrequencyshift．Acompleteultrasonictransmitterci
5、rcuitandweakuhrasonicsignalre—ceivingcircuitwereresearchedanddesignedwithSTM32F407VGT6coreprocessingchip．ThebasicprincipleofZoomFFTbasedoncomplexmodulationwassuccessfullyappliedtothepipelineflowmeasurementalgorithm，thusachievinggoodtestresults．Keywords：timediferencemethod；ultrasonicwave；doppler
6、effect；dopplerfrequencyshift；complexmodulation；flowmeasurement0引言c’(2)流速作為一個(gè)重要的水文參數(shù)，對(duì)于水資源保護(hù)、水資源環(huán)境評(píng)價(jià)、防災(zāi)減災(zāi)和海洋氣候等方面都有重要的意義。近年式中為多普勒頻移量。來(lái)，伴隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波測(cè)流作為一個(gè)新興技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。超聲波多普勒管道流速測(cè)量?jī)x是利用多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量水層流速的裝置，適用于含有適量的能夠反射超聲波信號(hào)的顆粒物的水文環(huán)境。與傳統(tǒng)時(shí)差法測(cè)流相比，超聲波管道流速測(cè)量?jī)x具有測(cè)量精度高、適用性強(qiáng)和不影響管道水流狀態(tài)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于工農(nóng)業(yè)、水利和水電等部門，逐漸成
7、為測(cè)流的首選工具。圖1多普勒測(cè)流原理示意圖1多普勒測(cè)流原理2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)聲學(xué)多普勒效應(yīng)中，當(dāng)聲源和觀察者存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的硬件部分大致包括電源模塊、STM32F407核心處理觀察者接收到的聲波頻率會(huì)偏離聲波原來(lái)的頻率。相對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊、通信模塊、超聲波發(fā)射電路、多普勒頻移信號(hào)接收處理電速度越大，頻率偏移也越大。設(shè)發(fā)射換能器發(fā)射頻率為，0的超路(LC選頻放大網(wǎng)絡(luò)、高頻信號(hào)放大電路、混頻器、LC低通聲波，經(jīng)過(guò)水中顆粒物的反射后，如圖1所示，接收換能器接收濾波
