金雨坤

【摘要】目前市場(chǎng)上常見的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試儀主要有機(jī)械式風(fēng)速儀，激光多普勒測(cè)風(fēng)速儀等。機(jī)械式風(fēng)速儀主要存在機(jī)械器件易損耗，需要啟動(dòng)風(fēng)速從而無法測(cè)量低風(fēng)速，精度低的缺點(diǎn)。激光多普勒測(cè)風(fēng)速儀雖然測(cè)量精度高，但是其價(jià)格高昂，維護(hù)成本巨大，應(yīng)用范圍窄。超聲波風(fēng)速儀具有無機(jī)械部件、反應(yīng)速度快、線性度高等優(yōu)點(diǎn)，本文主要探索研究一種高精度的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置。

【關(guān)鍵詞】超聲波風(fēng)速儀;FPGA：時(shí)差測(cè)風(fēng)速理論模型

二、時(shí)差法測(cè)風(fēng)速理論模型

超聲波在風(fēng)的影響下回波到達(dá)的時(shí)間是不同的，因此可以通過在順風(fēng)和逆風(fēng)的情況下，回波信號(hào)的達(dá)到的時(shí)間差來計(jì)算風(fēng)速。

以平面二維模型為例，時(shí)差法測(cè)風(fēng)速的原理圖如圖2所示：

結(jié)合式（4）和式（5）可以看出，測(cè)量時(shí)的風(fēng)速大小僅與測(cè)量所得--順風(fēng)和逆風(fēng)狀況下的渡越時(shí)差有關(guān)，與測(cè)量時(shí)環(huán)境的聲速無關(guān)。

若求解三維空間中的風(fēng)速，至少需要3條傳播路徑，而且3條路徑所在的直線不能處于同一個(gè)平面，而且每條路徑測(cè)得的風(fēng)速是這段路勁長度上的平均風(fēng)速。在此暫不討論更復(fù)雜的情況。

三、超聲波換能器和回波調(diào)理電路

超聲波換能器的功能是將輸入的電能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)能量（即超聲波信號(hào)）再傳遞出去，超聲波換能器的主要作用是產(chǎn)生和接收超聲波信號(hào)

超聲波回波調(diào)理電路由超聲波換能器，初級(jí)放大器，帶通濾波器，后級(jí)放大器，差分驅(qū)動(dòng)電路以及ADC采集電路構(gòu)成，并且通過FPGA增益控制。

初級(jí)調(diào)理電路是回波調(diào)理電路的第一級(jí)，負(fù)責(zé)微弱信號(hào)的放大任務(wù)和雙端輸入轉(zhuǎn)為單端輸出，以便后續(xù)處理，再進(jìn)入帶通濾波器如OPA656N，經(jīng)過后級(jí)放大再通過差分驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生ADC的差分輸入信號(hào)送入ADC進(jìn)行采集

在實(shí)際測(cè)量中，由于測(cè)量環(huán)境的改變，超聲波信號(hào)幅度的衰減可能會(huì)不同，為了增加測(cè)量的靈活性，可以增加兩級(jí)程控放大模塊使得電路有增益可調(diào)的功能，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電路增益使得輸入信號(hào)總是滿足ADC的最佳輸入范圍。

ADC驅(qū)動(dòng)模塊是為了讓輸入信號(hào)匹配ADC的輸入要求，使得ADC盡可能地達(dá)到最高的轉(zhuǎn)換效率和精度。

四、結(jié)論

FPGA可以提供高精度的時(shí)鐘信號(hào)，以確保發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的之間的渡越時(shí)差得到精準(zhǔn)的測(cè)量，可以根據(jù)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的進(jìn)一步改善硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)以提高算法的效率。