基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了本發明公開了一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾裝置及方法。由換能器固有頻率測試模塊、非固有頻率換能器激發源、高衰減率窄帶通濾波器共同實現。通過頻率掃描方式得到換能器系統的固有頻率，選擇與換能器系統固有頻率相鄰但不相等的頻率作為正常工作的信號頻率，并選用高衰減率、窄通帶的橢圓形濾波器，將超聲波風速儀周圍環境中的聲音、異響、嘯叫等外界干擾產生的噪聲信號，從實現風速和風向測量的正常信號中剔除。本發明可有效避免外界噪聲對超聲波風速儀的影響，保證超聲波風速儀的測量精度，使用簡單，并可廣泛應用在二維超聲波風速儀和三維超聲波風速儀上。
【專利說明】基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于超聲波風速儀抗干擾的裝置及方法，尤其是一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置及方法，通過頻率掃描方式得到換能器系統的固有頻率，選擇與換能器系統固有頻率相鄰但不相等的頻率作為正常工作的信號頻率，并選用聞裳減率、窄通帶的捕圓形濾波器，將超聲波風速儀周圍環境中的聲首、異響、嘯叫等外界干擾產生的噪聲信號從實現風速和風向測量的正常信號中剔除，從而避免外界噪聲對超聲波風速儀的影響。
【背景技術】
[0002]風速和風向是氣象學中的重要參數，這兩個參數的測量精準度直接影響到氣象預報的準確性。超聲波風速儀是一種新型的風速和風向測量儀器。工作時，超聲波風速儀在發射換能器端施加激發信號，使得發射換能器向外發射超聲波波束。超聲波波束在空氣中傳播，經過一定時間之后，到達接收換能器端，使得接收換能器產生相應的接收信號。當周圍環境的風速較大時，超聲波波束的傳播速度就快，到達接收換能器的傳播時間就短，相反，當周圍環境的風速較小時，超聲波波束的傳播速度就慢，到達接收換能器的傳播時間就長。從而，超聲波風速儀就可以通過計量激發信號和接收信號之間的傳播時間，判定出周圍環境的風速和風向。超聲波風速儀擁有測量精度高、測量范圍寬、低功耗等優勢，因此，超聲波風速儀廣泛應用于電力、鋼鐵、石化、節能等行業。
[0003]為實現超聲波風速儀的低功耗性能，并且同時保證超聲波風速儀測量風速時的信號強度，超聲波風速儀往往選擇換能器系統(包含發射換能器與接收換能器）的固有頻率作為信號激發和信號接收的工作頻率，即發射換能器的激發信號頻率，以及接收換能器的接收信號頻率，都等于換能器系統的固有頻率。
[0004]超聲波風速儀工作頻率等于換能器系統固有頻率的特點，使得超聲波風速儀在實際使用過程中，極易受到周圍環境中存在的聲音、異響、嘯叫等外界噪聲的干擾。這是由換能器系統的工作特點所決定的。換能器的作用是實現聲音和電信號互相轉換，因此換能器在超聲波風速儀中是最為關鍵的傳感器。當外界產生噪聲時，換能器將對這些噪聲有所感應，并將這些噪聲轉換為電信號。相對于正常的接收信號，由噪聲引起的電信號，將使得超聲波風速儀誤以為超聲波波束提前或延后到達接收換能器，導致對超聲波波束傳播時間的錯誤計量，從而導致超聲波風速儀對風速和風向的測量錯誤。外界噪聲干擾將影響到超聲波風速儀的測量精度，嚴重時甚至導致超聲波風速儀無法正常工作。
[0005]為避免外界噪聲干擾對超聲波風速儀的測量精度的影響，一般采用低通、高通、帶通等濾波器的方式來提高超聲波風速儀的抗干擾能力。但是，這些濾波器方式存在著一個固有缺點：濾波器雖然可以過濾掉換能器系統固有頻率之外的噪聲干擾，但由于正常信號的工作頻率和換能器系統固有頻率相等，因此為保證正常信號的強度，濾波器也將無法過濾掉頻率與換能器固有頻率相同的噪聲信號。
[0006]為避免外界噪聲的干擾，也可以采用基于數值計算的現代濾波方法，通過各種數學方法和統計規律，估計出頻率與換能器固有頻率相同的噪聲信號的強度，從而將噪聲信號從正常信號里面剔除。但是，為實現這種現代濾波方法，通常要求超聲波風速儀的控制器有強大的計算能力和數據處理能力，這不但會直接提高控制器的經濟成本，還會大幅度提升超聲波風速儀的功耗。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾裝置，由換能器固有頻率測試模塊、非固有頻率換能器激發源、高衰減率窄帶通濾波器共同實現；
[0008]本發明的另一目的是提供一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾方法，通過頻率掃描方式得到換能器系統的固有頻率，選擇與換能器系統固有頻率相鄰但不相等的頻率作為正常工作的信號頻率，并選用高衰減率、窄通帶的橢圓形濾波器，將超聲波風速儀周圍環境中的聲音、異響、嘯叫等外界干擾產生的噪聲信號，從實現風速和風向測量的正常信號中剔除，從而避免外界噪聲對超聲波風速儀的影響。
[0009]為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案：
[0010]一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置，其特征在于，包括超聲波風速儀的第一發射換能器、第二發射換能器、第一接收換能器和第二接收換能器，還包括換能器固有頻率測試模塊、非固有頻率換能器激發源和高衰減率窄帶通濾波器，其中，所述換能器固有頻率測試模塊的信號輸出端連接第一發射換能器和第二發射換能器的信號輸入端，所述換能器固有頻率測試模塊的信號輸入端連接第一接收換能器和第二接收換能器的信號輸出端；所述非固有頻率換能器激發源的信號輸出端連接第一發射換能器和第二發射換能器的信號輸入端；所述高衰減率窄帶通濾波器的信號輸出端連接第一接收換能器和第二接收換能器的信號輸入端。
[0011]作為補充優化，所述高衰減率窄帶通濾波器為橢圓型帶通濾波器。
[0012]作為補充優化，所述換能器固有頻率測試模塊由依次連接的激發放大模塊、控制模塊、信號接收模塊組成。頻率測試模塊，即常見的掃頻裝置。
[0013]一種利用上述裝置基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0014]步驟一，通過頻率掃描方式得到換能器系統的固有頻率；設定超聲波風速儀（I)的換能器標稱頻率為f?，換能器固有頻率測試模塊信號輸出端以頻率掃描的方式發射頻率變化的正弦信號，所述正弦信號的頻率掃描范圍為（-5 ) KHz到（+5 ) KHz ;頻率掃描時，頻率每秒增加0. 5KHz ;在此頻率掃描過程中，換能器固有頻率測試模塊信號接收端同步接收并記錄接收第一接收換能器和第二接收換能器輸出的信號幅值；待頻率掃描過程結束后，換能器固有頻率測試模塊自動判斷接收到的信號幅值最大時所對應的激發頻率，并將該激發頻率作為換能器系統的固有頻率，設為f@，并儲存在換能器固有頻率測試模塊內；
[0015]步驟二，選擇與換能器系統固有頻率相鄰但不相等的頻率作為正常工作的信號頻率；所述非固有頻率換能器激發源所輸出的激發信號為正弦信號，該激發的正弦信號的頻率設為f激，f激的頻率范圍為-I. 5) KHz到（f?固-3. 5) KHz之間；
[0016]步驟三，利用高衰減率窄通帶濾波器剔除與固有頻率相等的外界噪聲引起的干擾信號；設定高衰減率窄通帶濾波器的中心頻率為f?，f?=fa，從而可以保證正常工作激發信號的低衰減通過，同時保證外界噪聲與固有頻率頻率相等的干擾信號的高衰減截止。
[0017]作為補充優化，所述高衰減率窄通帶濾波器可以為有源濾波器或無源濾波器。濾波器一般分成兩種，有源濾波器和無源濾波器。濾波器工作時，需要接外部電源的，稱為有源濾波器；反之，濾波器工作時，無需接外部電源的，稱為無源濾波器。一般而言，有源濾波器帶負載能力強一點，但無源濾波器使用更方便一點。
[0018]發明優點：
[0019](I)本發明可有效地消除外界噪聲對超聲波風速儀正常測量造成的干擾，同時本發明的方法成本較低，工作時功耗也較低。
[0020](2)本發明所述濾波器可由無源或有源方式實現，濾波過程不涉及復雜的數學計
算，應用簡單，可靠性高。
[0021](3)本發明可以使用在任意二維式超聲波風速儀、三維式超聲波風速儀中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖I是本發明所述裝置的實施系統總圖。
[0023]圖2是換能器固有頻率模塊內部功能模塊框圖。
[0024]圖3是超聲波風速儀換能器系統頻率掃描測試結果圖。
[0025]圖4是本發明所述方`法中選定的工作頻率范圍圖。
[0026]圖5是本發明所述方法中提及的橢圓型濾波器的濾波性能圖。
[0027]圖中：1、超聲波風速儀，2A，2B、超聲波風速儀發射換能器，3A，3B、超聲波風速儀接收換能器，4、換能器固有頻率測試模塊，4A、激發放大模塊，4B、控制模塊，4C、信號接收模塊，5、非固有頻率換能器激發源，6、高衰減率窄帶通濾波器。
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖及一優選實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。
[0029]實施例：
[0030]如圖I~圖2所示：本實施例所揭示的一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置，包括超聲波風速儀I的第一發射換能器2A、第二發射換能器2B、第一接收換能器3A和第二接收換能器3B，還包括換能器固有頻率測試模塊4、非固有頻率換能器激發源5和高衰減率窄帶通濾波器6，其中，所述換能器固有頻率測試模塊4的信號輸出端連接第一發射換能器2A和第二發射換能器2B的信號輸入端，所述換能器固有頻率測試模塊4的信號輸入端連接第一接收換能器3A和第二接收換能器3B的信號輸出端；所述非固有頻率換能器激發源5的信號輸出端連接第一發射換能器2A和第二發射換能器2B的信號輸入端；所述高衰減率窄帶通濾波器6的信號輸出端連接第一接收換能器3A和第二接收換能器3B的信號輸入端。
[0031]所述高衰減率窄帶通濾波器6為橢圓型帶通濾波器。
[0032]所述換能器固有頻率測試模塊4由依次連接的激發放大模塊4A、控制模塊4B、信號接收模塊4C組成。其中，激發放大模塊4A的輸出端連接在超聲波風速儀的第一發射換能器2A和第二發射換能器2B的信號輸入端，信號接收模塊4C連接在超聲波風速儀的第一接收換能器3A和第二接收換能器3B的信號輸出端。
[0033]一種利用上述裝置基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾方法，包括以下步驟：
[0034]步驟一：本發明所述方法的應用前提，在于準確地在測量出超聲波風速儀換能器系統的固有頻率。換能器固有頻率測試模塊4就是為實現上述功能而設。在超聲波風速儀出廠設置時，換能器固有頻率測試模塊4在其內部的控制模塊4B的控制下，通過激發放大模塊4A，以頻率掃描的方式向第一發射換能器2A和第二發射換能器2B發射頻率變化的正弦信號。為提高測試效率，所掃描的頻率應有一定的范圍。在本發明所述方法的應用中，頻率掃描范圍的下限值為換能器出廠標稱頻率f標-5KHz，頻率掃描范圍的上限值為換能器出廠標稱頻率f標+5KHz，且頻率掃描時，頻率以每秒增加的0. 5KHz速度變化。在頻率掃描過程中，超聲波風速儀I的第一接收換能器3A和第二接收換能器3B將產生相應的正弦信號，且信號幅值隨激發頻率的改變而改變。換能器固有頻率測試模塊4內的信號接收模塊4C將采集第一接收換能器3A和第二接收換能器3B輸出的信號幅值，并將信號幅值儲存到控制模塊4B內部。頻率掃描過程結束后，控制模塊4B將自動判斷接收到的信號幅值最大時所對應的激發頻率，如圖3所示，并將該激發頻率作為最新的風速儀換能器固有頻率f固，儲存在控制模塊4B內。
[0035]步驟二 ：如圖4所示，本發明所述的方法，在實際應用時，需確定超聲波風速儀內換能器系統的工作頻率，即非固有頻率換能器激發源5輸出信號的頻率。本發明所述的方法將工作頻率選取在比超聲波風速儀固有頻率f固小I. 5KHz到3. 5KHz的范圍內，即非固有頻率換能器激發源5對第一發射換能器2A和第二發射換能器2B的激發信號的頻率f激為（f固-I. 5) KHz到（f固-3. 5) KHz之間。上述工作頻率范圍的選取，既滿足了本發明所述方法對于工作頻率不等于換能器系統固有頻率的要求，又充分考慮到工作頻率離開換能器系統固有頻率太遠，將導致換能器對工作頻率下的激發響應太低的問題。同時，上述工作頻率范圍的選取，還充分考慮到`工作頻率離換能器系統固有頻率太近，將導致后續窄帶濾波器的帶寬將過窄，從而導致濾波器的實現過于困難。
[0036]同時，為保證在所選取的工作頻率下的第一接收換能器3A和第二接收換能器3B的接收信號幅值明顯大于由周圍環境噪聲引起的白噪聲信號幅值，在所選取的工作頻率下的激發電壓信號的幅值應相應提升，一般可提升至第一發射換能器2A和第二發射換能器2B標稱的額定工作電壓的130%~150%，但同時以不超過第一發射換能器2A和第二發射換能器2B標稱的最大工作電壓為宜。
[0037]步驟三：如圖5所示，本發明所述的方法中所要求的高衰減率窄帶通濾波器6為橢圓型帶通濾波器，其中心頻率f濾等于選定的工作頻率f激，帶寬為2KHz。本發明所述的高衰減率窄帶通濾波器6，應保證正常工作信號的低衰減通過，同時保證噪聲引起的且頻率與固有頻率f固相等的干擾信號的高衰減截止。本發明所述的高衰減率窄帶通濾波器6可以有源濾波器的方式或無源濾波器的方式實現。
[0038]本發明所述方法的工作原理和工作過程為：非固有頻率換能器激發源5輸出正弦激發信號f?激，且該正弦信號的頻率不等于超聲波風速儀換能器系統的固有頻率f?固。該正弦激發信號f激施加到第一發射換能器2A和第二發射換能器2B上后，第一發射換能器2A和第二發射換能器2B將產生并發射超聲波波束。超聲波波束到達第一接收換能器3A和第二接收換能器3B后，第一接收換能器3A和第二接收換能器3B將產生頻率與激發信號頻率f激相等的正弦接收信號。由于上述正弦接收信號的頻率與橢圓型濾波器6的中心頻率f濾相等，且正弦接收信號的頻率位于橢圓型濾波器6的帶寬之內，因此，正弦接收信號將通過橢圓型濾波器6，輸入到超聲波風速儀I內部，以計算周圍環境的風速和風向。當外界的聲音、異響、嘯叫等外界干擾引起第一接收換能器3A和第二接收換能器3B產生噪聲信號時，由于噪聲信號的頻率等于換能器系統的固有頻率f固，同時由于噪聲信號的頻率不等于橢圓型濾波器6的中心頻率f濾，且噪聲信號的頻率位于高衰減率窄帶通濾波器6的帶寬之外，因此，噪聲信號將無法通過高衰減率窄帶通濾波器6。從而，本發明所述的方法，成功地消除了外界噪聲對超聲波風速儀I正常工作的干擾。
[0039]需要指出的是，以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，并非企圖據以對本發明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之范疇。
【權利要求】
1.一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置，其特征在于，包括超聲波風速儀（I)的第一發射換能器（2A)、第二發射換能器（2B)、第一接收換能器（3A)和第二接收換能器（3B)，還包括換能器固有頻率測試模塊（4)、非固有頻率換能器激發源（5)和高衰減率窄帶通濾波器（6)，其中，所述換能器固有頻率測試模塊（4)的信號輸出端連接第一發射換能器（2A)和第二發射換能器（2B)的信號輸入端，所述換能器固有頻率測試模塊（4)的信號輸入端連接第一接收換能器（3A)和第二接收換能器（3B)的信號輸出端；所述非固有頻率換能器激發源（5)的信號輸出端連接第一發射換能器（2A)和第二發射換能器（2B)的信號輸入端；所述高衰減率窄帶通濾波器（6)的信號輸出端連接第一接收換能器（3A)和第二接收換能器（3B)的信號輸入端。
2.根據權利要求1所述的基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置，其特征在于，所述高衰減率窄帶通濾波器（6)為橢圓型帶通濾波器。
3.根據權利要求2所述的基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置，其特征在于，所述換能器固有頻率測試模塊（4)由依次連接的激發放大模塊（4A)、控制模塊（4B)、信號接收模塊（4C)組成。
4.一種利用如權利要求1~3任一項所述裝置基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，通過頻率掃描方式得到換能器系統的固有頻率；設定超聲波風速儀（I)的換能器標稱頻率為f 換能器固有頻率測試模塊（4)信號輸出端以頻率掃描的方式發射頻率變化的正弦信號，所述正弦信號的頻率掃描范圍為（-5 )KHz到（fg+5 )KHz ;頻率掃描時，頻率每秒增加0. 5KHz ;在此頻率掃描過程中，換能器固有頻率測試模塊（4)信號接收端同步接收并記錄接收第一接收換能器（3A)和第二接收換能器（3B)輸出的信號幅值；待頻率掃描過程結束后，換能器固有頻率測試模塊（4)自動判斷接收到的信號幅值最大時所對應的激發頻率，并將該激發頻率作為換能器系統的固有頻率，設為f@，并儲存在換能器固有頻率測試模塊（4)內； 步驟二，選擇與換能器系統固有頻率￡@相鄰但不相等的頻率作為正常工作的信號頻率；所述非固有頻率換能器激發源（5)所輸出的激發信號為正弦信號，該激發的正弦信號的頻率設為f'激’ 激的頻率范圍為-I. 5) KHz到（f?固-3. 5) KHz之間； 步驟三，利用高衰減率窄通帶濾波器（6)剔除與固有頻率相等的外界噪聲引起的干擾信號；設定高衰減率窄通帶濾波器（6)的中心頻率為fwf ，從而可以保證正常工作激發信號的低衰減通過，同時保證外界噪聲與固有頻率頻率相等的干擾信號的高衰減截止。
5.根據權利要求4所述的基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾方法，其特征在于，所述高衰減率窄通帶濾波器（6 )可以為有源濾波器或無源濾波器。
【文檔編號】G01P13/02GK103558410SQ201310552254
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】趙小春, 孫敏, 崔磊, 徐立中 申請人:蘇州斯威高科信息技術有限公司