第21卷 第10期2008年10月
传感技术学报
CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORS
Vol.21 No.10Oct.2008
R esearch on the T echnique of Measuring Tunnel Wind Speed by U ltrasonic
OU B i ng 2j ie ,DUA N Fa 2j ie
3
(S tate Key L ab of Precision Measurement Technology &I nst ruments ,Tianj in Universit y ,Ti anj in 300072,China )
Abstract :A new met hod based on t he technology of p hase 2difference detection to measure t unnel wind speed by ult rasonic is researched ,and t he measurement system is p roposed.The new met hod overcomes t he defect s (t he complexity of circuit and t he difficulty in signal p rocessing )of t raditional
time 2difference met hod and reaches high measure accuracy in real 2time detection of t unnel wind speed.The new system a 2dopt s one emitting sensor and two couples of receiving sensors to measure wind speed in two different ran 2ges ,not only ensures measure limit s but also improves precision in low wind speed measure .The system cored as a chip microp rocessor A TM EGA128,uses CPLD to realize high precision digital p hase detecting.Wit h t he help of CPLD ,t he system improves t he precision in data p rocessing .Temperat ure compensating technique is adopt to f urt her increase t he measure accuracy.Compared wit h t he t raditional met hods ,t he measure precision of t he system is remarkably improved.
K ey w ords :ultrasonic ;wind speed ;time 2difference met hod ;CPLD EEACC :7820
欧冰洁，段发阶3
(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津,300372)
收稿日期:2008204202 修改日期:2008207211
摘 要：研究了一种基于鉴相技术的超声波隧道风速测量方法，建立了风速测量模型。该方法克服了
传统时差法电路复杂、
信号处理较难的缺点，实现了隧道风速的高精度实时检测。测量系统采用一个传感器连续发射，两对传感器同时接收的结构实现不同风速段的测量，在保证测量范围的同时提高了低风速段的测量精度。系统以单片机A TM EGA128为核心，采用
CPLD 进行高精度数字鉴相，提高了处理精度；利用温度补偿技术进一步提高测量精度。与传统的测量方法相比，该系统测量
精度有较大提高。
关键词：超声波；风速；时差法;CPLD 中图分类号:U 458.1;TB559
文献标识码:A 文章编号:100421699(2008)1021804204
随着我国公路隧道建设与日俱增，隧道环境监
测与控制成为公路隧道安全运行的重要课题。风速大小是隧道环境监测的重要指标，这种特殊环境中的风速测量应具有实时、精确、简单可靠的特点。隧道中风速一般在±30m/s 以内，属中低风速，目前机械式测量、皮托管测量和超声波测量是较为常见的隧道风速测量方法[3]。机械式测量要求有启动风
速，响应速度慢，适合精度要求较低的场合。皮托管在低风速段灵敏度低，且不适合含烟尘气体的风速测量，其使用也受到一定限制。超声波测量风速是
上世纪九十年代发展起来的新技术，有良好的性能指标：理论上没有测量上限，不要求启动风速；对测量环境要求不高，适应范围广；精度高，易于数字化[2]。由于上述优点，超声波隧道风速测量技术得到广泛应用，目前国内外的同类产品能达到1%的测量精度。
根据信号检测原理，超声波风速测量大致可分为速度差法，频差法，波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法。目前使用最广泛方法的是速度差法，即利用超声波在顺风和逆风路径上传
播的速度差来确定风速大小。这就存在两个关键问题:①如何配置传感器以构造顺风和逆风路径，这是建立测量系统的首要问题。②速度差不能直接测量，一般转换成超声波在顺风和逆风路径上传播的时间差，如何对接收信号进行处理以精确测量时间差是实现高精度测量的核心。传统的超声波隧道风速测量系统采用Z 法(透过法)、V 法(反射法)或X 法(交叉法)对传感器进行配置[8]。以上三种方法需要分别测量超声波在顺风和逆风路径上传播的时间，带来以下几个问题:①通过两个步骤来确定时间差，形成累积误差。②需要设计转换电路实现传感器与发射/接收电路的正确匹配，控制电路比较复杂[3]。③超声波回波工作点的确定给系统信号处理增加了难度[1]。下文提出的测量方法将使上述问题迎刃而解。
1 原理
本文采用一只发射传感器S ，两只接收传感器
A 、
奔驰是哪个国家的B 组成的等腰三角形结构，如图1所示。直线AB 平行于隧道方向；设∠SAB =∠SBA =θ,OA =OB =L ；由于隧道中风向总是平行于隧道，假设风速V 为BA 方向。则有:
SA =L
co s
θ,v SA =C +V co s
θ,SB =
L
cos
θ,v SB =C -V co s θ，则有:Δt =t SB -t SA =
2V L
C 2
-V 2cos 2θ
。一般情况下,V 远小于C ，上式可简化为Δt ≈2L V
C
2
，可得:
V ≈
Δt C
2
2L
(1)只需检测信号到达传感器A 、B 的时间差Δt ，减少了测量步骤和累积误差。
图1 超声波隧道风速仪原理
2 相位检测法
对Δt 的测量方法有两种:
①直接时差法。传感器S 发射一列脉冲(一般为几十个)，通过检测脉冲到达接收传感器A
、B 的时间差来确定Δt ，如图2。由于接收传感器存在逐步起振和余振逐渐消失的过程，难以精确测定脉冲到达接收传感器的时间[4]，需要利用相关法才能实现高精度检测，增加了信号处理的难度。
全球十大强国排名图2 相位检测法原理图
②相位检测法。传感器S 处于连续工作状态，则传感器A 、B 的接收信号为图3所示周期为T 的正弦波，通过测量两路接收信号的相位差就可以确定Δt 。将两路接收信号放大、整形之后可得到图3中的
方波信号，进一步处理可得到信号C ，信号C 所示脉冲的宽度就是两路接收信号的相位差。这种检测方法原理简单，易于实现高精度检测[5]，但同时存在一定局限:Δt 不能超过半个周期。在传感器S 、
A 、
B 的位置确定时,Δt <1
2
T =12.2μs (用于风速
测量的超声波一般为40k Hz )限定了系统的测量范围。系统采用这种方法实现Δt 的测量。
3 影响测量精度的因素
对公式(1)求全微分可得:
d V =C L Δt d C +C 2
2L d Δt -Δt C
2
2L 2
d L
(2)
可知，提高测量精度需要从Δt ,C ,L 三方面考虑:①由图2可知，对信号C 所示脉冲宽度的检测是测量Δt 的关键。假设测量脉宽所用的时钟周期是T O ，脉冲经历的时钟个数为N ，则有Δt =N T
0，如图3所示。在所测脉冲的上升沿和下降沿存在±1T 0范围内的随机误差[6]，这项误差直接决定了鉴相精度和测量精度。可采取以下几种途径减小这项误差:
图3 脉宽测量原理图
5
081第10期欧冰洁，段发阶：超声波隧道风速测量技术研究
鉴相时使用高频晶振，将鉴相误差控制到最小。系统采用20M Hz 的晶振驱动EPM7128对接收信号
进行辨向和高精度鉴相[7]。这样不仅可以减小测量误差，提高系统的分辨率，也使测量系统更简洁紧凑。
鉴相精度已经确定的情况下，减小鉴相误差对测量精度的影响。
设鉴相误差为Δ<，则Δ<；给测量带来的误差为ΔV
ΔV =Δ<
2π・T ・C 22L =
Δ<・T ・C
24πL
(3)ΔV 与L 成反比关系。测量范围限定了L 为20mm ，此时系统的分辨率为0.14m/s 。为提高低风速
段的测量精度，同时保证测量范围，系统在A 、B 的外侧增加了传感器A 0、B 0用于低风速段的测量。②传感器定位误差的影响。传感器在机架上固定后L 就已完全确定，但L 的实际值与理想值存在一定偏差ΔL ，给测量带来两方面的影响:①造成的测量
相对误差ΔV V
=-ΔL
L
，可通过精密加工及合理的结构
设计将这项误差减到最小。②理论上风速为0时，传感器S 发出的信号会同时到达接收传感器A 、B ，但传感器的定位误差使顺风和逆风路径不完全对称，使得风速为0时信号到达两个接收传感器的时差Δt 不为零，给风速测量带来系统误差。这项误差无法通过硬件系统消除，只能通过软件来补偿。
③温度变化带来的影响。超声波传播速度为C =331.5+0.607T 。由公式(2)可以计算出温度变化1℃带来的相对误差约为0.2%，是测量误差的重要组成部分，系统应有温度补偿功能。
4 系统结构
①机械结构的优化
通过对鉴相精度的分析，测量系统采用一个传感器连续发射，两对传感器同时接收的结构实现不同风速段的测量，在扩大了测量范围的同时保证了低风速段的测量精度，如图4所示
。
图4 传感器配置图
②整体结构设计
通过对测量原理和误差源的分析可知，整个测
量系统基本由信号发射、信号采集与处理两部分组成。发射部分产生用于测量的频率为40k Hz 的超
声波；信号采集与处理部分是整个测量系统的核心，必须包含以下几个基本功能:λ两组接收传感器进行信号采集;µ接收模块对两组回波信号进行放大、滤波、整形处理，以获得频率为40k Hz ，占空比为1:1的方波信号。Ζ用于高精度数字鉴相的CPLD 和高频晶振;ο单片机实现风速的计算，系
统控制和外部通讯;π温度采集。
将风速值线性转换成D/A 转换器动态范围内的数字量；经D/A 转换和V/I 转换后可实现4～20mA 标准电流输出
。
图5
系统结构图
图6 程序结构图
5 软件设计
A TM EGA128在系统中主要承担以下工作:①
定时对EPM7128中数字鉴相器进行数据采集;②温度采集，调用参数，计算出平均风速，并通过485
通讯将数据输出;③建立通讯协议，用户可通过232通讯修改程序中的参数对系统误差进行补偿;④将风速值进行输出格式转换并输出。
6 结论
试验表明，该系统的测量范围可达±30m/s ，分
6081传 感 技 术 学 报2008年
辨率为0.04
m/s ，测量精度可达到0.
5%，相对目前隧道风速测量系统，性能有较大提高；可输出4～20mA 电流，结构简单，抗干扰能力强，可广泛用于隧道环境下的风速监测。参考文献:
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13.
欧冰洁(19812)，女，汉，湖南郴州人,
2008年获天津大学精密仪器与光电子
工程学院硕士学位，主要从事数据采集及数据处理方向,oubingjie81@126.
com
段发阶(19682)，博士，教授，博士生导师，国家教育部新世纪优秀人才，主要从事测试计量技术及仪器、激光及光电测试技术、计算机视觉检测技术、光纤传感技术、自动控制技术等方面研究.
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081第10期欧冰洁，段发阶：超声波隧道风速测量技术研究
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