岳曉庚，任紅偉，周 賓，邱 實(shí),賀文凱，向 鵬

(1.東南大學(xué)儀器與工程學(xué)院，江蘇南京 210096;2.青海鹽湖工業(yè)股份有限公司研發(fā)中心，青海格爾木 210096)

0 引言

礦井通風(fēng)可以提供新鮮空氣，排除CH4、CO等有毒有害的氣體，是保證礦井安全生產(chǎn)的基本方法。對礦井風(fēng)速進(jìn)行有效的檢測、監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握井下風(fēng)速狀況對煤礦安全具有重要意義[1]。目前測速方式大多是傳統(tǒng)接觸式測量方式，例如機(jī)械式風(fēng)表[2]、皮托管流速儀[3]、熱敏式風(fēng)表[4]等。這些測量方式容易改變測量管道的流場分布，長時(shí)間的接觸工作會導(dǎo)致設(shè)備磨損從而使得測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。

近年來聲學(xué)技術(shù)得到迅速的發(fā)展，很多學(xué)者逐漸把聲學(xué)法應(yīng)用到不同的領(lǐng)域[5]，沈國清[6]等采用聲波法測量電站鍋爐煙氣的流速；陳棟[7]等利用聲學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套不影響煙氣正常流速的測速實(shí)驗(yàn)裝置。

以上聲學(xué)測速裝置是在聲源附近和遠(yuǎn)離聲源處分別放置一個(gè)聲壓傳感器，通過對2個(gè)接收信號進(jìn)行互相關(guān)[8]計(jì)算，求出飛渡時(shí)間。本文對該測量裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并且設(shè)計(jì)了一套測速硬件和軟件系統(tǒng)。

1 測速原理

聲波是發(fā)聲體通過產(chǎn)生振動在空氣或其他物質(zhì)中傳播而形成的，聲波的實(shí)際傳播速度主要由聲波在介質(zhì)中的傳播速度和氣體流動的速度所決定。關(guān)系如下：

Creal=C+v

(1)

式中：Creal為聲波實(shí)際傳播速度的矢量和，m/s；C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；v為聲波傳播方向上氣體的流速，m/s。

聲波在介質(zhì)中傳播，同樣與介質(zhì)成分、溫度和壓力相關(guān)[9-10]。相關(guān)性表達(dá)式為

(2)

式中:R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；γ為氣體的絕熱指數(shù)；T為氣體溫度，K；M為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

不同環(huán)境中溫度和壓強(qiáng)不一樣，導(dǎo)致聲波傳播速度不同。為了僅測量介質(zhì)的流速，使用雙通道測量方法，消除式(2)中的R、T和M參數(shù)。聲學(xué)測速原理圖如圖1所示。

圖1 聲學(xué)測速原理

揚(yáng)聲器S1的聲波信號分量與氣體流速方向一致，則：

(3)

式中：LS1M1為S1到M1的距離；tS1M1為S1到M1的時(shí)間；α為S1和M1安裝角度，選擇45°。

揚(yáng)聲器S2的聲波信號分量與氣體流速方向相反，則：

(4)

式中：LS2M2為S2到M2的距離；tS2M2為S2到M2的時(shí)間；β為S2和M2安裝角度，選擇45°。

由式(3)和式(4)可推導(dǎo)得：

(5)

聲波飛渡時(shí)間的測量會極大影響聲波測速精度，采用互相關(guān)計(jì)算聲波傳播時(shí)間，可以極大提高時(shí)間的準(zhǔn)確度。

2個(gè)信號相關(guān)函數(shù)用來描述兩者之間的相似程度，也可以描述一組信號前后不同時(shí)刻的相似程度。實(shí)際情況下，揚(yáng)聲器發(fā)出聲波信號和聲壓傳感器接收信號，兩組波形存在很大相似性，但存在一定的相位差，可以通過相關(guān)函數(shù)來計(jì)算兩個(gè)信號相位偏移，如圖2所示。設(shè)定揚(yáng)聲器發(fā)出的信號為X，聲壓傳感器接收的信號為Y，通過互相關(guān)函數(shù)計(jì)算兩組信號的偏移點(diǎn)Δn，兩路離散信號的互相關(guān)函數(shù)R(n)可表示為

圖2 互相關(guān)示意圖

(6)

式中：N為一組離散信號采樣長度；n為離散信號設(shè)定的偏移點(diǎn)數(shù)；X(i)和Y(i)分別為離散信號第i測量值。

當(dāng)R(n)取最大值時(shí)對應(yīng)的n即為兩路信號的偏移點(diǎn)Δn，根據(jù)設(shè)計(jì)的采樣率可以得到聲波的飛渡時(shí)間t：

t=Δn/fs

(7)

式中fs為采樣頻率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用FPGA為主控芯片。FPGA具有流水并行和數(shù)據(jù)并行的功能，可以滿足系統(tǒng)兩路聲波信號同時(shí)驅(qū)動，4路聲壓信號同時(shí)采集的要求。并且FPGA多種時(shí)鐘輸出，I/O引腳用戶可配置，輸出驅(qū)動能力強(qiáng)。

系統(tǒng)包括聲波產(chǎn)生模塊、AD采集模塊、USB通訊模塊等。聲波產(chǎn)生模塊經(jīng)過功率放大器驅(qū)動揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波信號，聲壓傳感器接收聲波信號由AD采集模塊將數(shù)據(jù)緩存在FPGA內(nèi)部，最后經(jīng)過USB通訊模塊將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，并對順風(fēng)和逆風(fēng)兩路聲波信號做互相關(guān)運(yùn)算，求出tS1M1和tS2M2。其系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 聲波驅(qū)動電路

FPGA控制AD9746芯片將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量，生成正弦掃頻信號，通過功率放大器輸出至揚(yáng)聲器，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)射聲波信號。AD9746具有高動態(tài)范圍、14位分辨率，差分模擬電路輸出可在8.6～31.7 mA滿量程范圍內(nèi)調(diào)整，通過串行外設(shè)接口(SPI)端口可提供完全編程能力。采用FPGA輸出的低壓差分信號(LVDS信號)作為該芯片的采樣時(shí)鐘。AD9746原理圖如圖4所示。

2.1.2 信號接收電路設(shè)計(jì)

聲波在礦井傳播過程中，信號的幅值在一定程度上會得到衰減，因此在采集聲波信號之前必須對信號進(jìn)行放大和濾波處理，前端放大濾波電路關(guān)系到整個(gè)采集電路的優(yōu)劣，必須選擇低噪聲、低輸入偏置電流運(yùn)算放大器，ADA4004可以滿足要求。前端放大濾波電路如圖5所示。

圖5 放大濾波電路

AD采集電路使用AD7357芯片，該芯片為差分輸入、雙通道14位SAR ADC、每通道4.2 MSPS,其數(shù)字接口為串行接口，每一個(gè)采樣點(diǎn)至少需要16個(gè)時(shí)鐘周期[11]，由FPGA提供時(shí)鐘信號。滿足AD電路的差分輸入，采用低失真差分ADC驅(qū)動器AD8138實(shí)現(xiàn)將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號。其電路圖如圖6所示。

2.1.3 USB接口電路設(shè)計(jì)

FT2232H是一款具有高速USB轉(zhuǎn)串行通信協(xié)議的芯片。該芯片最大傳輸速率為480 Mbits/s并且依靠編程可以配置為串行或并行的總線接口方式；具有雙通道傳輸功能，每個(gè)通道在芯片內(nèi)部擁有4 kbyte的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存和4 kbyte的接收數(shù)據(jù)緩存；還具有多種接口的工作模式，其中FT245同步模式下最大傳輸速度能夠達(dá)到40 Mbyte/s，F(xiàn)T245異步模式最大傳輸速度能夠達(dá)到8 Mbyte/s[12-13]。外接EEPROM用于保存FT2232H芯片配置信息。FT2232H接口電路如圖7所示。

圖6 AD7357原理圖

2.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

2.2.1 FPGA控制程序

FPGA軟件程序建立在Quartus平臺上，采用VerilogHDL硬件描述語言。主要包括PLL、FT2232H讀寫時(shí)序控制、AD7357串行數(shù)據(jù)讀取、AD9746掃頻波形發(fā)生。FPGA程序框圖如圖8所示。

2.2.2 LabVIEW與USB通訊

LabVIEW作為USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)部分，需要驅(qū)動程序的支持。在設(shè)計(jì)驅(qū)動程序時(shí)，F(xiàn)TDI公司為USB-FIFO模式提供了軟件接口和動態(tài)鏈接庫文件(.dll)。LabVIEW通過直接調(diào)用ftd2xx.dll里面的API函數(shù)來建立與設(shè)備驅(qū)動程序的聯(lián)系[14-15]。在程序設(shè)計(jì)過程中將動態(tài)鏈接庫中各個(gè)函數(shù)做成子VI，便于LabVIEW調(diào)用API函數(shù)。LabVIEW采集信號如圖9所示。

2.2.3 LabVIEW算法模塊

LabVIEW上位機(jī)算法模塊主要包括帶通濾波模塊、互相關(guān)計(jì)算模塊、風(fēng)速計(jì)算模塊等。一段時(shí)間內(nèi)不斷調(diào)節(jié)風(fēng)速，觀察上位機(jī)測量結(jié)果。風(fēng)速實(shí)時(shí)測量和顯示界面如圖10所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)橫截面積為1 200 mm×1 200mm，沿氣體方向長度為2 m的正方形風(fēng)道用于模擬礦道，并在聲學(xué)測量裝置同一截面處安裝熱敏風(fēng)速儀。由于實(shí)驗(yàn)條件下背景噪聲主要集中在3 kHz以下，為了避免背景噪聲引起測量誤差，本實(shí)驗(yàn)選取了4～6 kHz的線性掃頻信號，掃頻周期為0.4 s，聲壓級為60 dB。搭建測試平臺，測試距離為3.987 m，LS2M2測試距離為4.002 m；將揚(yáng)聲器、聲壓傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間用相應(yīng)的數(shù)據(jù)線連接好、上電，讓整個(gè)測試系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)起來。調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)改變風(fēng)量的大小，將聲學(xué)測速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)風(fēng)速與熱敏風(fēng)速儀進(jìn)行對比分析。測速對比見表1。

圖7 FT2232H接口電路

圖8 FPGA程序框圖

圖9 上位機(jī)采集信號

圖10 風(fēng)速實(shí)時(shí)測量和顯示界面

表1 測速對比表

由表1可知，在不同的風(fēng)速狀態(tài)下，將聲學(xué)測速系統(tǒng)和熱敏風(fēng)速儀進(jìn)行對比，風(fēng)速變化趨勢相同，最大相對誤差為4.47%，從而驗(yàn)證了聲學(xué)測量系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套聲學(xué)測速硬件電路，主要包括聲波驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸電路等。該電路系統(tǒng)采集精度高，傳輸速率快，并且在傳輸過程中信號穩(wěn)定可靠。

利用LabVIEW軟件開發(fā)了一套數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和同步處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速的實(shí)時(shí)測量。本文對傳統(tǒng)的聲學(xué)測速的布置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用了直接將聲源信號和聲壓傳感器采集信號進(jìn)行互相關(guān)算法處理的方法，減少了硬件成本。通過多組實(shí)驗(yàn)對比分析驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。