CN113985062A - 一种低流速高精度多普勒声学双向流速仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体测速仪技术领域，特别涉及一种低流速高精度多普勒声学双向流速仪，与现有技术相比，本发明通过发射模块进行产生第一电信号并同时产生外放信号，外放信号经流体产生反射信号被接收模块接收并转化电信号与本振信号通过第二混频器形成反射波信号，与第一电信号经第一混频器形成的基准电信号由数据处理模块进行对比计算以测出流体的流速以及流向。本发明通过将基准电信号频率调整为60KHz‑100KHz以避免由于基准电信号频率低导致低流速时混频输出以及滤波难度大导致低流速难以测量的问题。

Description

一种低流速高精度多普勒声学双向流速仪

技术领域

本发明涉及流体测速仪技术领域，特别涉及一种低流速高精度多普勒声学双向流速仪。

背景技术

超声多普勒流速仪是应用声学多普勒效应原理制成的测流仪，采用超声换能器，用超声波探测流速。测量点在探头的前方，不破坏流场，具有测量精度高，量程宽；可测弱流也可测强流；分辨率高，响应速度快；可测瞬时流速也可测平均流速；测量线性，流速检定曲线不易变化；无机械转动部件，不存在泥沙堵塞和水草缠绕问题；探头坚固耐用，不易损坏，操作简便等优点。

如公开号为CN104865404A，公开日为2015年08月26日，名称为《一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法》公开了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。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。目前市场上测量水流的多普勒声学流速仪都是采用2-5MHz直接混频器实现多普勒声学测量流速，优点是电路简单稳定性高不易产生频率漂移，但低流速混频困难，在200Hz以下混频难以输出，在流速2CM以下数据不准确，在毫米流速基本上无法测量。

综上所述，现有的多普勒流速测量仪存在对于低流速的流体流速测量不准或者难以测量的问题需要解决。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种低流速高精度多普勒声学双向流速仪，包括：

发射模块，所述发射模块与第一混频器电连接，所述发射模块用于产生第一电信号以及由所述第一电信号产生的外放信号；

接收模块，所述接收模块与第二混频器电连接；

本振振荡器，所述本振振荡器分别与所述第一混频器和所述第二混频器电连接，所述本振振荡器用于产生本振电信号；以及

数据处理模块，所述数据处理模块的输入端分别与所述第一混频器和所述第二混频器各自的输出端电连接；

其中，所述第一混频器用于对所述第一电信号和所述本振电信号混频以得到具有第一频率的基准电信号，所述第一频率为60KHz-100KHz。

在一实施例中，所述发射模块包括驱动换能器、发射振荡器和功率放大器，所述发射振荡器一方面通过所述功率放大器与所述驱动换能器电连接、另一方面与所述第一混频器电连接，所述发射振荡器用于所述第一电信号。

在一实施例中，所述接收模块包括接收换能器和高频放大器，所述接收换能器通过所述高频放大器与所述第二混频器电连接，所述接收换能器用于接收所述外放信号的反射信号并转化为第二电信号。

在一实施例中，所述驱动换能器和接收换能器的型号均为5M压电陶瓷换能器。

在一实施例中，还包括基准信号预处理模块，所述第一混频器通过所述基准信号预处理模块与所述数据处理模块电连接。

在一实施例中，所述基准信号预处理模块包括第一中频滤波器和第一中频放大器，所述第一混频器依次通过所述第一中频滤波器和所述第一中频放大器与所述数据处理模块电连接。

在一实施例中，还包括反射波信号预处理模块，所述第二混频器通过所述反射波信号预处理模块与所述数据处理模块电连接。

在一实施例中，所述反射波信号预处理模块包括第二中频滤波器、第二中频放大器、第三中频滤波器和第三中频放大器，所述第二混频器依次通过所述第二中频滤波器、所述第二中频放大器、所述第三中频滤波器和所述第三中频放大器与所述数据处理模块电连接。

在一实施例中，所述第一电信号具有第二频率，所述本振电信号具有第三频率，所述第一频率为所述第二频率和所述第三频率之差频。

在一实施例中，所述第二频率为5MHz，所述第三频率为4.915MHz，所述第一频率为85KHz。

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，通过发射模块进行产生第一电信号并同时产生外放信号，外放信号经流体产生反射信号被接收模块接收并转化电信号与本振信号通过第二混频器形成反射波信号，与第一电信号经第一混频器形成的基准电信号由数据处理模块进行对比计算以测出流体的流速以及流向。本发明通过将基准电信号频率调整为60KHz-100KHz以避免由于基准电信号频率低导致低流速时混频输出以及滤波难度大导致低流速难以测量的问题。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1为本发明提供的低流速高精度多普勒声学双向流速仪的原理示意图；

图2为对发射模块和接收模块作进一步说明的原理示意图；

图3为对基准信号处理模块和反射波信号处理模块作进一步说明的原理示意图；

图4为实施例部分实现电路示意图。

附图标记：

100发射模块 110驱动换能器 120发射振荡器

130功率放大器 200接收模块 210接收换能器

220高频放大器 300本振振荡器 400第一混频器

500第二混频器 600数据处理模块 700基准信号预处理模块

710第一中频滤波器 720第一中频放大器 800反射波信号预处理模块

810第二中频滤波器 820第二中频放大器 830第三中频滤波器

840第三中频放大器

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

以下通过具体实施例进行说明。

本发明提供一种低流速高精度多普勒声学双向流速仪，包括：

发射模块100，所述发射模块100与第一混频器400电连接，所述发射模块100用于产生第一电信号以及由所述第一电信号产生的外放信号；

接收模块200，所述接收模块200与第二混频器500电连接；

本振振荡器300，所述本振振荡器300分别与所述第一混频器400和所述第二混频器500电连接，所述本振振荡器300用于产生本振电信号；以及

数据处理模块600，所述数据处理模块600的输入端分别与所述第一混频器400和所述第二混频器500各自的输出端电连接；

其中，所述第一混频器400用于对所述第一电信号和所述本振电信号混频以得到具有第一频率的基准电信号，所述第一频率为60KHz-100KHz。

具体实施时，如图1所示，一种多普勒声学双向流速仪包括发射模块100、接收模块200、本振振荡器300和数据处理模块600，本振振荡器300的输出端分别与第一混频器400和第二混频器500各自的输入端相连接，发射模块100通过第一混频器400与数据处理模块600电连接，接受模块200通过第二混频器500与数据处理模块600电连接；发射模块100产生第一电信号，第一电信号一方面输入第一混频器400、另一方面产生相关的外放信号，本实施例中外放信号为超声波信号，超声波信号经流体的反弹变化产生的反射波被接受模块200接收，接收模块200对反射波处理形成第二电信号并传输给第二混频器500，第一混频器400将接收到的第一电信号以及本振电信号进行混频形成第一频率为60KHz-100KHz基准电信号并输入数据处理模块600，本实施例中，以85KHz的第一频率的基准电信号为例进行说明，第二混频器500将接收到的第二电信号以及本振电信号进行混频形成反射波信号并输入数据处理模块600，数据处理模块600对基准电信号以及反射波信号进行对比计算求得流速。

本实施例通过混频频率提高基准频率，把基准电信号频率提高到85KHz，本振振荡器采用4.915MHz与反射波产生混频在0流速输入5MHz时产生85.000KHz的中频信号，正向流速频率为85000Hz+x，每增加1Hz正向流速增加约0.152mm,反之每减少1Hz反向流速增加0.152mm,正负流速精度可达0.152mm。以85000Hz-x(Hz)为依据可计算反向流速流速的大小和方向。

优选地，如图2和图3所示，在一些实施例中，所述发射模块包括驱动换能器110、发射振荡器120和功率放大器130，所述发射振荡器120一方面通过所述功率放大器130与所述驱动换能器110电连接、另一方面与所述第一混频器400电连接，所述发射振荡器120用于所述第一电信号。所述接收模块200包括接收换能器210和高频放大器220，所述接收换能器210通过所述高频放大器220与所述第二混频器500电连接，所述接收换能器210用于接收所述外放信号的反射信号并转化为第二电信号。其中所述第一电信号具有第二频率，所述本振电信号具有第三频率，所述第一频率为所述第二频率和所述第三频率之差频。

优选地，如图1所示，在一些实施例中，还包括基准信号预处理模块700，和反射波信号预处理模块800，所述第一混频器400通过所述基准信号预处理模块700与所述数据处理模块600电连接，所述第二混频器500通过所述反射波信号预处理模块800与所述数据处理模块600电连接。

基准电信号和反射波信号依次经过中频滤波器和中频放大器处理后，将特定的频率信号通过并进行放大，同时滤除而其他频率信号减少干扰噪声，有助于后续数据处理模块600的脉宽输出识别，提高流速仪测量的精确性。

具体地，如图3所示，其中基准信号预处理模块700包括第一中频滤波器710和第一中频放大器720，所述第一混频器400依次通过所述第一中频滤波器710和所述第一中频放大器720与所述数据处理模块600电连接。反射波信号预处理模块800包括第二中频滤波器810、第二中频放大器820、第三中频滤波器830和第三中频放大器840，所述第二混频器500依次通过所述第二中频滤波器810、所述第二中频放大器820、所述第三中频滤波器830和所述第三中频放大器840与所述数据处理模块600电连接。

具体地，如图4所示，提供了本实施例各模块的实现电路图，其中与数据处理模块600的连接未具体示出。

优选地，在一实施例中，第一混频器400和第二混频器500选用型号为NE602的通用振荡/混频器单片集成电路，内含双平衡振荡器DBM、振荡器和稳压器，其双平衡混频器的工作频率可达500MHz,振荡器的振荡频率可达200MHz，工作温度较广可达0～70℃，具有较广的适用范围。

优选地，上述实施例中各主要元器件的型号如下所示，以下选型为举例说明，本发明具体实施时并不限于下述选型：

驱动换能器110和接收换能器210的型号为5M压电陶瓷换能器,功率放大器130的型号为D882,发射振荡器120的型号为S9014C,高频放大器220的型号为S9018,第一混频器400和第二混频器500的型号为NE602,第一中频滤波器710、第二中频滤波器810和第三中频滤波器830均采用LC滤波器,第一中频放大器720、第二中频放大器820和第三中频放大器840的型号均为LMH6624，数据处理模块600的型号例如为STM32F407；

本设备发射的声波采用5MHz频率震与放大输出，驱动换能器发射到水中。接收换能器在水流为零时收到5Hz的反射信号，经过高频信号放大与4.915MHz的本振信号混频产生85000Hz的中频信号，经过2级中频放大和LC中频滤波电路输出85.000KHz的中频信号，中频带宽为正负40KHz,满足7米/秒的流速测量，按照LC滤波器特性中心频率信号衰减最低，因此在2米/秒以下的流速灵敏度最高。流速越低灵敏度越高。接收的中频信号最后输入到单片机与基准频率做同步比较，另一路发射震荡同时与4.915MHz本振混频产生85.000KHz基准比较信号，同样进行中频放大滤波后输入单片机，这样设计当5MHz的发射频率和4.915MHz的本振信号源由于温漂产生的频移自动跟踪校准，同时解决了频飘产生的误差。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，通过发射模块进行产生第一电信号并同时产生外放信号，外放信号经流体产生反射信号被接收模块接收并转化电信号与本振信号通过第二混频器形成反射波信号，与第一电信号经第一混频器形成的基准电信号由数据处理模块进行对比计算以测出流体的流速以及流向。本发明通过将基准电信号频率调整为60KHz-100KHz以避免由于基准电信号频率低导致低流速时混频输出以及滤波难度大导致低流速难以测量的问题。本发明可应用于化工低速流体流体测量或者生物工程中动物血液流速测量等领域。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如发射模块、驱动换能器、发射振荡器、功率放大器、接收模块、接收换能器、高频放大器、本振振荡器、第一混频器、第二混频器、数据处理模块、基准信号预处理模块、第一中频滤波器、第一中频放大器、反射波信号预处理模块、第二中频滤波器、第二中频放大器、第三中频滤波器和第三中频放大器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于，包括：

发射模块(100)，所述发射模块(100)与第一混频器(400)电连接，所述发射模块(100)用于产生第一电信号以及由所述第一电信号产生的外放信号；

接收模块(200)，所述接收模块(200)与第二混频器(500)电连接；

本振振荡器(300)，所述本振振荡器(300)分别与所述第一混频器(400)和所述第二混频器(500)电连接，所述本振振荡器(300)用于产生本振电信号；以及

数据处理模块(600)，所述数据处理模块(600)的输入端分别与所述第一混频器(400)和所述第二混频器(500)各自的输出端电连接；

其中，所述第一混频器(400)用于对所述第一电信号和所述本振电信号混频以得到具有第一频率的基准电信号，所述第一频率为60KHz-100KHz。

2.根据权利要求1所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：所述发射模块包括驱动换能器(110)、发射振荡器(120)和功率放大器(130)，所述发射振荡器(120)一方面通过所述功率放大器(130)与所述驱动换能器(110)电连接、另一方面与所述第一混频器(400)电连接，所述发射振荡器(120)用于所述第一电信号。

3.根据权利要求2所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：所述接收模块(200)包括接收换能器(210)和高频放大器(220)，所述接收换能器(210)通过所述高频放大器(220)与所述第二混频器(500)电连接，所述接收换能器(210)用于接收所述外放信号的反射信号并转化为第二电信号。

4.根据权利要求3所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：所述驱动换能器(110)和接收换能器(210)的型号均为5M压电陶瓷换能器。

5.根据权利要求3所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：还包括基准信号预处理模块(700)，所述第一混频器(400)通过所述基准信号预处理模块(700)与所述数据处理模块(600)电连接。

6.根据权利要求5所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：所述基准信号预处理模块(700)包括第一中频滤波器(710)和第一中频放大器(720)，所述第一混频器(400)依次通过所述第一中频滤波器(710)和所述第一中频放大器(720)与所述数据处理模块(600)电连接。

7.根据权利要求3所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：还包括反射波信号预处理模块(800)，所述第二混频器(500)通过所述反射波信号预处理模块(800)与所述数据处理模块(600)电连接。

8.根据权利要求7所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：所述反射波信号预处理模块(800)包括第二中频滤波器(810)、第二中频放大器(820)、第三中频滤波器(830)和第三中频放大器(840)，所述第二混频器(500)依次通过所述第二中频滤波器(810)、所述第二中频放大器(820)、所述第三中频滤波器(830)和所述第三中频放大器(840)与所述数据处理模块(600)电连接。

9.根据权利要求1所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：所述第一电信号具有第二频率，所述本振电信号具有第三频率，所述第一频率为所述第二频率和所述第三频率之差频。

10.根据权利要求8所述的低流速高精度多普勒声学双向流速仪，其特征在于：所述第二频率为5MHz，所述第三频率为4.915MHz，所述第一频率为85KHz。

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