摘要：本文介绍的主要是利用超声波传输时间进行精密测量的一种新型算法，同时还对超声波立面当中的射探头低耗驱动法进行了优化。研究中发现：该检测系统可以在对煤矿进行风速测量时，实现0～15.0 m/s的高精度，基本可以满足煤矿的实际使用要求，其经济效益较为良好。
关键词：超声波时差法；传输时间；精密测量；巷道风速；
1.用于煤矿测风时几个超声波关键技术的优化
1.1用超声波测量传输时间的高精度算法设计
对超声波传输时间进行精确测量是利用超声波时差法实施测量的关键环节，当前的测算方法主要分为一个特征波临界点拾取法以及超声波互相关法。这两者里超声波互相关法有较高的精度，可对.png)
的计算能力要求十分高，所需的传感器硬件成本也很高，不但如此，其测量结果的稳定性甚至能够因为空气密度波动和温度变化而受到影响。本文提出了一种以临界点为基础的细分插补算法，是从特征波临界点拾取法来入手的，它十分有效的提高了通过超声波传输时间来进行测量所得到的结果的精度。
而我们所说的特征波临界点拾取法，其实就是把激励波形的发射时刻当做开始传输超声波的时间起点，将其记作.png)
，把收到波形特征波的那一个特征点时刻当做传输超声波的时间终点.png)
。超声波传输时间就是.png)
，想要精确测量超声波传输时间，就要对波形当中的特征波还有临界点进行准确识别。依照检测回波所具有的起振规律，可将其分为三个阶段：先是最初的起振，然后经过充分振荡，最后只剩下余振。压电晶片是从接到超声波信号起，从静止状态一点点开始振动，其峰值也在逐步增强，这就是起振阶段；然后压电晶片变得跟接收信号完全同步，其振荡峰值也达到了最大状态，此刻即是充分振荡阶段；它的振动幅值一定会慢慢的衰减，这是因为在超声波信号过去后没有办法让压电晶片立刻处于静止状态，这即是余振波形，呈现一种一点点减小的趋势。处于充分振荡阶段时，它的信噪比比较高，但处于零点处的变化速率才是最大的，这就是从波形角度能看出的，因此在此处选取的特征波为充分振荡阶段的波形，同时取其过零点作为临界点。在临界点中选取两个相邻的采样点进行细分插值，以便于对特征点对应的时刻进行分辨率更高的精确检测，这就是临界点细分插补算法。若是将特征波临界点充分展开，可得示意图如下。
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图1 将特征波在临界点处展开所得示意图
若 .png)
点为波形过零点，其对应的时刻记作.png)
，.png)
、.png)
与零点邻近的.png)
个采样点，将其对应的电压值记作.png)
、.png)
，时刻分别记作.png)
、.png)
，采样周期用.png)
表示，.png)
点记作第.png)
个采样点。那么可计算.png)
、.png)
如下：
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（1）
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（2）
因此临界点测量的分辨率如下式所示：
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（3）
通过临界点细分插补算法可以提高测量结果的精度，而且降低了测量中对高速硬件的过分依赖，使制造仪器的所需成本大幅度降低，使最终结果更加确定，增加了测量结果的准确性与可靠性。依照公式可知，在保持采样率不变的前提下，对接收信号的放大倍数进行适度提高，还能够提高测量结果的分辨率。
1.2 组合探头的具体结构设计
煤矿环境粉尘多且高湿，在设计超声波探头结构时选择了立面对射形式，其剖面图如下。
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图2传感器设计结构的剖面示意图
探头保护座之所以能够在复杂环境下还让探头不会因外力而损坏；是因为它的固定杆为一个空心的钢管，用螺纹方式来在上下保护面板上固定；而且在立柱的中央还安装了换能器，这能够使它的发射面与水平面保持垂直状态，从而解决了粉尘会大量吸附在探头的表面的问题；而探头距离底面具有一定的长度，这使得粉尘不会大量在底面堆积，从而进一步解决了可能会因为堆积的粉尘而造成的对空气的流动以及超声波的传播造成阻碍的问题，以确保能够测量到正常的风速；固定座用于固定外部主机；排线用于外部主机的通讯。
1.3超声波探头的低功耗驱动
煤矿设备有着严苛的低耗能要求，通过对超声波探头的逐步研究和多次实验，设计了图3所示预激活压电晶片，以实现探头的低功耗驱动。
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图3 超声波探头驱动的信号流
系统始终对各超声波探头施加的峰峰值仅取了驱动电压的一半，.png)
，.png)
是占空比的一个预激活信号，它会使得超声波探头长期处在一种预激活状态。而处理器只需要在其中间处施加一个同样的驱动信号，每一次发射 8 个驱动波。驱动信号每一次于压电晶片上产生作用的时候，压电晶片都会处于预激活状态。当信号流按照上图中的箭头指向全部走过时，探头2会在接收到超声波信号之后，会率先通过整形电路，然后再一分为二。而在这里面一路会在整形、滤波、放大后通过高速.png)
采样，从而求出通过零点的具体时间，同时将它记为.png)
；另外一路则反馈至探头2的驱动端，并且使探头2再一次发射出一个反向的超声波。在探头.png)
接收到信号回波之后，可以适当的将接收到的超声波信号放大，通过高速.png)
采样之后，可以求出过零点时间，同时把它记为.png)
。这样以后可以依照同样的逻辑关系在探头.png)
和探头.png)
上进行操作，然后求出.png)
、.png)
。最后就可以求出风速值。
3 实验分析
可以按照实验设备的条件，实验环境可以用风洞试验箱来模拟，用英国 .png)
公司的研究型超声波风速仪.png)
－.png)
作为设计对照组。.png)
－.png)
能在.png)
～.png)
风速范围内实现精度达到.png)
的测量结果，是全世界如今运用超声波时差法进行风速测量领域内最精确、最可靠的一种仪器。为了保持系统设计参数具有一定的冗余量，逐一对 .png)
～ .png)
的风速段用两种方式实施测量，并记录各自的测试结果，实验期间每组数据均以稳定.png)
后的检测值为准。
测试步骤具体为：
1) 传感器的安装。将2个传感器分别放到风洞中2个不同的测试位置上，并保证传感器的稳定性，避免传感器在测试期间出现晃动，使风流通道在测量期间保持畅通、没有任何阻碍物。
2) 测试整个实验环境。将传感器电源接通，并打开风洞，设置风速为.png)
，观察 2 个传感器是否能够正常工作。
3）在下限处进行测量。将风速置零，静待传感器归零，按 .png)
/分钟步进一点点加大风洞变频器装置的驱动频率，看到传感器示数有变化就停止，稳定.png)
后，看传感器能不能准确测量。要是不行，需要继续加大频率；要是可以的话，将超声波时差法矿用风速传感器的测量值和.png)
－.png)
的显示结果分别记录下来。
4）在不同风速范围内进行测量。将预设风速值加至.png)
，等待.png)
后，将超声波时差法矿用风速传感器测量值和.png)
－.png)
的结果分别记录下来。后续均依此法设置风速值并将实验所得数据记录下来，直到测完.png)
风速后，就可以结束实验。
5）实验结束。各组数据全部测试完后，将风洞关闭，等风洞里面的空气静止下来后，把传感器的电源切断，将传感器取出并放置妥善，实验至此完全结束。
结果表明，当风速达到.png)
上下时，2个传感器都可以测量出一个较为稳定的风速值，结果虽然存在着些许偏差，但误差大小不超过限定范围。实验结果证实，运用了超声波时差法的矿用风速传感器在经过优化后，其测量下限可以无限逼近零 风速。在.png)
～.png)
的测试区间内，完全可以保证风速测量结果的稳定性与可靠性，达到了《煤矿安全规程》对测量风速.png)
～.png)
要求，精度方面也符合相关要求。如今超声波时差法的风速测量方案还未在矿山领域应用，其市场相当广阔，可行性较强。
4 结语
本文实验结果证实，基于超声波时差法的矿用风速传感器在经过适当的优化后，其检测风速的下限几乎可以达到零风速，能够在.png)
～.png)
风速范围内彻底实现高精度测量。通过对超声波探头基本结构的优化，使该方案可用于矿井下那种高湿、多粉尘的复杂环境当中，同时还保证其测量结果可以无视安装角度的影响，完全满足煤矿行业对风速测量方面的各项基本要求。
参考文献：
［1］ 张景钢，谢宏，陈柏封，等．矿井多风机联合运转公共风路问题研究［J］．矿业安全与环保，2017，44（3）：86－89．
［2］张东明，曹晓钟，马尚昌． 二维超声波风速风向传感器设计［J］．传感器与微系统，2015（10）：110－113．
［3］游青山．一种矿用超声波风速传感器的设计［J］．煤矿安全，2017，48（1）：88－91．
论文作者:贺珍发,张德波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：风速论文; 超声波论文; 测量论文; 传感器论文; 临界点论文; 信号论文; 求出论文; 《基层建设》2019年第32期论文;