苗可彬

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京　100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100013； 3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京　100013)

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基于DDS技術(shù)的礦用風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)

苗可彬1,2,3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013； 3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京100013)

摘要：針對現(xiàn)有煤礦井下用風(fēng)速傳感器工況條件差、性能易下降的問題，設(shè)計(jì)了一種基于DDS技術(shù)的礦用風(fēng)速傳感器。該傳感器采用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)了具有高穩(wěn)定性諧振頻率的超聲波振蕩電路，利用卡曼渦街原理實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速值實(shí)時、精準(zhǔn)的測量。試驗(yàn)結(jié)果表明，該風(fēng)速傳感器可靠性高，測量誤差較小，抗干擾性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：礦用風(fēng)速傳感器； DDS； 卡曼渦街； 抗干擾

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1456.004.html

0引言

在煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中，風(fēng)速是重要的檢測參數(shù)之一。風(fēng)速傳感器是實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)的重要組成部分。礦用風(fēng)速傳感器按其原理可分為葉輪式、熱線式和超聲波式風(fēng)速傳感器。葉輪式和熱線式風(fēng)速傳感器易受井下水蒸汽和煤塵的影響，可靠性不夠高，相比而言超聲波式風(fēng)速傳感器具有易維護(hù)、可靠性較高的優(yōu)勢[1-2]。

對于超聲波式風(fēng)速傳感器來說,其性能可靠性主要由超聲波振蕩電路諧振頻率決定。目前，超聲波振蕩電路大部分為自激振蕩電路,諧振頻率的調(diào)整通過改變阻容值實(shí)現(xiàn)。在井下工況較差的地方,濕度較高，傳感器長時間工作后其振蕩電路諧振頻率會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致傳感器的性能大大下降；另外,超聲波振蕩電路一般都有一個最佳頻率工作點(diǎn),傳統(tǒng)的超聲波振蕩電路都是靠手工調(diào)整頻率來尋找最佳工作頻率點(diǎn),嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,造成生產(chǎn)瓶頸[2]。

為此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于DDS(Direct Digital Synthesis，直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)的礦用超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器。該傳感器利用卡曼渦街原理測量風(fēng)速值，在超聲波振蕩電路的設(shè)計(jì)上采用DDS技術(shù)，保證了超聲波振蕩電路諧振頻率的穩(wěn)定性[3-4]，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速值實(shí)時、高可靠性測量。

1風(fēng)速傳感器工作原理

風(fēng)速傳感器工作原理如圖1所示。根據(jù)卡曼渦街原理，在流體中插入一個非流線阻力體，當(dāng)雷諾系數(shù)在一定范圍內(nèi)，在阻力體下游將產(chǎn)生2列交替出現(xiàn)的旋渦列，稱為卡曼渦街，其旋渦頻率與流體的流速成正比[5]。傳感器的超聲波振蕩器產(chǎn)生等幅超聲波信號，該信號加到發(fā)射換能器上，并向空氣中發(fā)射超聲波。此時，接收換能器接收到被旋渦調(diào)制的超聲波信號,該超聲波信號經(jīng)處理后變成對應(yīng)的脈沖信號，經(jīng)過歸一化處理及線性補(bǔ)償后即可得到實(shí)際風(fēng)速值。

圖1　風(fēng)速傳感器工作原理

1.1超聲波振蕩模塊

超聲波振蕩模塊采用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)，主要由相位累加器、ROM波形存儲器、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器與低通濾波器等構(gòu)成,模塊工作原理如圖2所示。單片機(jī)系統(tǒng)時鐘頻率是模塊各環(huán)節(jié)的同步時鐘,由外界高穩(wěn)定性的晶體振蕩器發(fā)出,頻率控制字K控制模塊輸出電功率信號的頻率。

圖2　超聲波振蕩模塊工作原理

超聲波振蕩模塊工作時，相位累加器在時鐘頻率的控制下依次獲得各個幅值采樣值,幅值采樣值經(jīng)ROM波形存儲器和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出梯形波。梯形波經(jīng)低通濾波器濾波后就是一個完整的正弦波。如果相位累加器的位數(shù)為N,單片機(jī)系統(tǒng)時鐘頻率為fc,頻率控制字為K,則模塊的輸出頻率為

(1)

模塊輸出頻率分辨率為

(2)

超聲波振蕩電路如圖3所示,電路的單片機(jī)選用C8051F040，DDS芯片選用AD9850。CLK_IN為輸入?yún)⒖碱l率，WCLK為時鐘信號，D0—D7為數(shù)據(jù)端口。通過C8051F040控制AD9850可以得到穩(wěn)定的正弦波輸出。

圖3　超聲波振蕩電路

具體設(shè)計(jì)參數(shù)：N=32,K=55 148,fc=11.059 2 MHz。由式(1)可得到輸出頻率為142 kHz。由式(2)可得最小輸出頻率約為2.6 MHz，基本可認(rèn)為輸出頻率連續(xù)可調(diào)。

1.2信號處理模塊

無風(fēng)狀態(tài)下，接收換能器接收到的信號為

S=S0sin(2πft)

(3)

有風(fēng)狀態(tài)下，接收換能器接收到被旋渦調(diào)制后的信號為

S=S0[1+Msin(2πfMt)]sin(2πft)

(4)

式中:S0為信號幅值;f為超聲波頻率;M為調(diào)制深度;fM為旋渦頻率。

實(shí)際應(yīng)用中,接收換能器檢測到的信號如圖4所示。從圖4可以看出,有風(fēng)時,超聲波信號被調(diào)制為非標(biāo)準(zhǔn)正弦信號。

測量時，需要對調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，得到旋渦頻率fM，從而得到風(fēng)速值。解調(diào)電路由選頻放大、檢波、低頻放大、整形電路組成，其核心為檢波電路。檢波電路如圖5所示，其中C18為耦合電容，用以濾除直流信號；D5為檢波二極管，用來將調(diào)制信號變?yōu)榘氩ㄐ盘?，留下包絡(luò)信號上半部分的高頻載波信號；C23為高頻濾波電容，用來去掉檢波二極管輸出信號中的高頻載波信號；R29為負(fù)載電阻，檢波二極管導(dǎo)通時的電流回路由R29構(gòu)成，在R29上的壓降就是檢波電路的輸出電壓。

為方便單片機(jī)處理，檢波后信號一般通過低頻放大和整形電路處理變?yōu)槊}沖信號，實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)速傳感器進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號如圖6所示。從圖6可看出,該脈沖信號頻率正比于實(shí)際風(fēng)速值。通過單片機(jī)對該頻率進(jìn)行檢測,即可得到風(fēng)速測量值。

(a) 無風(fēng)時的信號

(b) 有風(fēng)時的信號

圖5　檢波電路

圖6　實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)速傳感器進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號

2傳感器軟件設(shè)計(jì)

由圖6可知，信號經(jīng)處理后得到的脈沖信號不是占空比為50%的方波，因此,計(jì)算信號頻率時采用單片機(jī)定時器計(jì)數(shù)方式,具體程序流程如圖7所示。設(shè)置單片機(jī)定時器0為定時模式，定時器1為計(jì)數(shù)模式。在定時器0定時1 s內(nèi),通過定時器1檢測信號下降沿個數(shù)，從而得到信號頻率。利用線性補(bǔ)償算法對信號頻率進(jìn)行計(jì)算,即可得到真實(shí)的風(fēng)速值。

圖7　信號頻率測量程序流程

在信號測量過程中，有可能存在一些隨機(jī)干擾，為實(shí)現(xiàn)精確、可靠的測量，對信號進(jìn)行中值平均濾波處理，當(dāng)測量數(shù)據(jù)達(dá)到10組時,開始進(jìn)行中值平均濾波，通過數(shù)碼管顯示風(fēng)速值。經(jīng)過濾波后的信號可靠、平穩(wěn)。

3試驗(yàn)測試

風(fēng)速傳感器的測試需在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行，分別設(shè)定風(fēng)洞內(nèi)部風(fēng)速值為15.0，12.0，9.0，6.0，3.0,1.0 m/s，待風(fēng)速穩(wěn)定后觀察傳感器的顯示值是否與設(shè)定風(fēng)速值一致。

測試時，對每個測量點(diǎn)進(jìn)行3次測量，記錄3次測量的最大誤差,如圖8所示。從圖8可看出，最大誤差為0.14 m/s，傳感器測量精度較高。

圖8　傳感器測量誤差

4結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)速值實(shí)時、精準(zhǔn)測量，設(shè)計(jì)了一種基于DDS技術(shù)的礦用風(fēng)速傳感器。通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，該傳感器適合井下風(fēng)速測量點(diǎn)的實(shí)時、在線、精準(zhǔn)測量，具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 超聲波振蕩電路采用DDS技術(shù)，無需人工調(diào)試振蕩電路最佳諧振點(diǎn)，使用方便。② 振蕩頻率由單片機(jī)控制，只要單片機(jī)輸出的時基信號穩(wěn)定，振蕩頻率就不會發(fā)生變化，避免了傳統(tǒng)自激振蕩電路長時間工作在工況較差區(qū)域時諧振點(diǎn)漂移的問題。③ 傳感器通過中值平均濾波對信號進(jìn)行處理，可以有效濾除隨機(jī)干擾，可靠性較高。

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Design of mine-used wind speed sensor based on DDS technology

MIAO Kebin1,2,3

(1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2.National Key Laboratory of High Efficient and Clean Utilization of Coal Resources, Beijing 100013, China;3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Beijing 100013, China)

Abstract:In view of problem that performance of mine-used wind speed sensor is easy to fall because of poor working conditions, a kind of mine-used wind speed sensor based on DDS technology was designed. The sensor adopts DDS technology to design ultrasonic oscillation circuit with high stability resonance frequency, and uses Karman vortex street principle to achieve real-time, accurate measuring of wind speed value. The experiment result shows reliability of the sensor is high, measurement error is smaller, and anti-interference is strong.

Key words:mine-used wind speed sensor； DDS； Karman vortex street; anti-interference

文章編號：1671-251X(2016)07-0012-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.004

收稿日期：2016-03-29；修回日期：2016-06-17；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

基金項(xiàng)目：國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFR10530)。

作者簡介：苗可彬(1982-)，男，江蘇徐州人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事煤礦安全技術(shù)研究工作，E-mail:miaokebin@ccrise.cn。

中圖分類號：TD723

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-07-05 14:56

苗可彬.基于DDS技術(shù)的礦用風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2016,42(7)：12-15.