安賽 趙忠輝 張浪 李偉 彭然

文章編號：1671?251X（2024）04?0050?05 ?DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2024010055

摘要：針對目前風(fēng)速傳感器啟動風(fēng)速高、設(shè)計方案復(fù)雜、無法準(zhǔn)確測量巷道整個斷面平均風(fēng)速的問題，基于超聲波對射式測風(fēng)原理，設(shè)計了以 STM32為核心的礦用對射式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，介紹了傳感器總體結(jié)構(gòu)、收發(fā)電路設(shè)計、濾波算法及軟件流程。該傳感器改變了以點帶面的測風(fēng)方式，通過大距離（5～12 m）超聲測風(fēng)技術(shù)測量巷道中線風(fēng)速，以該風(fēng)速代表整個巷道的平均風(fēng)速，提高了巷道風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性和實時性。依據(jù)設(shè)計方案研發(fā)了測試樣機，在環(huán)形風(fēng)洞中的測試結(jié)果表明，該傳感器測量值與風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)值在0.1～15 m/s 內(nèi)具有較好的一致性，測量誤差小于0.1 m/s，能夠滿足智能化礦井對巷道風(fēng)速測量精度的要求。

關(guān)鍵詞：智能化通風(fēng)；風(fēng)速風(fēng)向傳感器；巷道斷面風(fēng)速；超聲波測風(fēng)；對射式測風(fēng)；巷道中線風(fēng)速中圖分類號：TD723 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design of mine opposed wind speed and direction sensor

AN Sai1，2，3，4， ZHAO Zhonghui1，2，3，4， ZHANG Lang1，2，3，4， LI Wei1，2，3，4， PENG Ran1，2，3，4

（1. China Coal Research Institute， Beijing 100013， China；2. CCRI Tong'an（Beijing） Intelligent Control TechnologyCo.， Ltd.， Beijing 100013， China；3. Beijing Engineering and Research Center of Mine Safe， Beijing 100013， China；4. State Key Laboratory of Intelligent Coal Mining and Strate Control， Beijing 100013， China）

Abstract： In response to the current problems of high startup wind speed， complex design schemes， and inability to accurately measure the average wind speed of the entire section of the roadway using wind speed sensors， based on the principle of ultrasonic opposed wind measurement， a mine opposed wind speed and direction sensor with STM32 as the core is designed. The overall structure of the sensor， the design of the transmitting and receiving circuit， the filtering algorithm， and the software process are introduced. This sensor has changed the wind measurement method from point to surface， using a single ARM core and measuring the wind speed at the centerline of the roadway through long-distance （5-12 m） ultrasonic wind measurement technology. This wind speed represents the average wind speed of the entire roadway. It greatly improves the accuracy and real-time performance of roadway wind speed measurement. A test prototype is developed based on the design scheme， and the test results in a circular wind tunnel show that the measured values of the sensor has good consistency with the standard wind speed values in the range of 0.1-15 m/s， with a measurement error of less than 0.1 m/s. It can meet the precision requirements of intelligent mines for roadway wind speed measurement.

Key words： intelligent ventilation; wind speed and direction sensor; wind speed at the cross-section of the roadway; ultrasonic wind measurement; opposed wind measurement; wind speed at the centerline of the roadway

0引言

煤礦井下巷道風(fēng)速的精確測量是實現(xiàn)煤礦通風(fēng)智能化的基礎(chǔ)[1-5]。目前井下巷道風(fēng)速測量方法主要有機械式風(fēng)表、壓差式風(fēng)速傳感器、超聲波渦街式風(fēng)速傳感器，其測量范圍大多為0.3～15 m/s，誤差為0.2 m/s，啟動風(fēng)速為0.3 m/s 以上。《煤礦安全規(guī)程》要求掘進(jìn)中的巖巷和其他通風(fēng)人行巷道的最低允許風(fēng)速為0.15 m/s；《國家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南（2022版）》要求在測風(fēng)站布置風(fēng)速傳感器，量程為0.1～15 m/s，精度為0.1 m/s，分辨率為0.01 m/s。現(xiàn)有的風(fēng)速傳感器無法滿足測量要求[6-8]。

超聲波風(fēng)速測量儀可適應(yīng)惡劣環(huán)境，具有較高的精度和較寬的測量范圍，應(yīng)用超聲波時差法的點式風(fēng)速傳感器在礦井也有應(yīng)用，但其測量的有限區(qū)域較小，不能反映巷道斷面的平均風(fēng)速[9-11]，且現(xiàn)有超聲波風(fēng)速傳感器采用 ARM+FPGA 或 ARM+ CPLD [12-14]進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計復(fù)雜且功耗較高。針對目前傳感器啟動風(fēng)速高、設(shè)計方案復(fù)雜、無法準(zhǔn)確測量巷道整個斷面平均風(fēng)速的問題，本文設(shè)計了一種高精度、低成本、線式對射風(fēng)速風(fēng)向傳感器。該傳感器改變了以點帶面的測風(fēng)方式，采用單片 ARM 核心，通過大距離（5～12 m）超聲測風(fēng)技術(shù)測量巷道中線風(fēng)速，以該風(fēng)速代表整個巷道的平均風(fēng)速，極大地提高了巷道風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性和實時性。

1對射式風(fēng)速測量原理

對射式風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過測量超聲波順逆流傳播時間計算風(fēng)速[15-18]，測量原理如圖1所示。其中點 A，C 分別為換能器1、換能器2的安裝地點，通常位于巷道兩幫，距離為5～12 m；平均風(fēng)速 V 平行于巷道，為待計算量；風(fēng)速與線段 AC 的夾角為α， 且 cos α=LBC/LAC，LAC，LBC 分別為線段 AC，BC 的長度。

工作時，換能器1與換能器2互為收發(fā)。換能器1發(fā)送、換能器2接收時，順風(fēng)風(fēng)流中超聲波的傳播時間為

式中 c 為超聲波在巷道空氣中的傳播速度， c =331：34+0：607t ，t 為當(dāng)前空氣溫度。

換能器2發(fā)送、換能器1接收時，逆風(fēng)風(fēng)流中超聲波的傳播時間為

用式（1）減式（2）并進(jìn)行變換，得

用式（1）加式（2）并進(jìn)行變換，得

由式（3）可知，通過測量 LBC，LAC，TAC，TCA 即可計算出平均風(fēng)速V，且與 c 無關(guān)。由式（4）可知，可計算當(dāng)前溫度及超聲波傳輸速度，用于反向驗證測量時間是否正確。

2對射式風(fēng)速風(fēng)向傳感器設(shè)計

2.1總體設(shè)計

對射式風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用 STM32高性能單片機為核心，主要由超聲波換能器、發(fā)射電路、通道切換電路、接收電路、核心電路、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示交互模塊等組成，如圖2所示。

換能器1發(fā)送、換能器2接收時，通過發(fā)射接收切換電路將發(fā)射波形加載到換能器1上，同時計數(shù)單元開始計時。換能器2接收波形后，通過發(fā)射接收切換電路進(jìn)入接收電路，計數(shù)單元停止計時，同時 STM32內(nèi)部模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換對接收波形進(jìn)行實時采集，綜合處理后得到一組時間信息。換能器2發(fā)送、換能器1接收時，同理可得另一組時間信息，通過式（3）即可計算出平均風(fēng)速。

2.2發(fā)射電路

換能器的安裝距離一般為8 m左右，為了保證接收換能器能夠采集到高信噪比的波形，需發(fā)射端有較高的發(fā)射能量，但過高的電壓可能不滿足井下本安電路的設(shè)計要求。超聲波發(fā)射及通道選擇電路如圖3所示。發(fā)射端采用雙向4脈沖發(fā)射波形設(shè)計，使用變比為15∶200的脈沖變壓器將10 V 電壓變換為200～300 V、頻率為40 kHz 的激勵信號。采用導(dǎo)通電壓為0.7 V 的二極管 D3和 D4將發(fā)射與接收過程隔離開，采用固態(tài)繼電器組合實現(xiàn)發(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)的切換。

2.3接收電路

對射換能器安裝距離較遠(yuǎn)，接收到的信號微弱，線纜容易受井下電磁環(huán)境的影響。因此，設(shè)計了3級放大電路對接收信號進(jìn)行處理。超聲波接收及動態(tài)放大電路如圖4所示。 PGA281（U20）構(gòu)成第1級差分放大電路，實現(xiàn)0.125～176倍信號放大；第2級、第3級為多路負(fù)反饋二階有源帶通濾波器，其中心頻率為40 kHz，品質(zhì)因數(shù)為12，帶寬為10 kHz，放大倍數(shù)為50。經(jīng)3級放大電路后，將接收的小信號調(diào)理成直流偏置為1.65 V 的40 kHz類正弦波，一路通過比較器進(jìn)入 STM32主控芯片的計數(shù)單元，另一路進(jìn)入 STM32內(nèi)部 AD 進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。

2.4數(shù)據(jù)處理

設(shè)定2個換能器的安裝距離為10 m，則完成2次對射測量最少需60 ms。為了保證數(shù)據(jù)處理時間，設(shè)置1組測量時間為100 ms 。則1 s 內(nèi)可進(jìn)行10組測量。為了剔除掉原始數(shù)據(jù)中的隨機噪聲及干擾，將1 s 內(nèi)的10組數(shù)據(jù)去掉2個最大值和2個最小值，其余數(shù)據(jù)取均值作為當(dāng)前的實時風(fēng)速。為了進(jìn)一步提高輸出風(fēng)速的穩(wěn)定性，抑制隨機誤差的影響，采用滑動平均法[19-21]處理風(fēng)速數(shù)據(jù)，考慮數(shù)據(jù)的實時性，一般平滑周期設(shè)為5。

2.5軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、超聲波發(fā)射與接收信號測量、風(fēng)速計算、數(shù)據(jù)顯示等功能，軟件流程如圖5所示。傳感器上電后，STM32進(jìn)行系統(tǒng)、內(nèi)部定時器、AD 等外設(shè)初始化，并進(jìn)行系統(tǒng)自檢。若自檢不通過，則通過屏幕或輸出端口輸出故障碼；若自檢通過，則自動獲取2個換能器的直線距離。通過 STM32內(nèi)部 IO 端口控制發(fā)射與接收通道，同時開啟計時和 AD 轉(zhuǎn)換，1 s 內(nèi)完成10次測量，通過滑動平均法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終通過屏幕顯示風(fēng)速值，并將數(shù)據(jù)上傳。

3環(huán)形風(fēng)洞測試

為了驗證礦用對射式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的測試精度，搭建了滿足 QXT 323—2016《氣象低速風(fēng)洞技術(shù)條件》、JJF 1934—2021《超聲波風(fēng)向風(fēng)速測量儀器校 ???準(zhǔn)規(guī)范》、MT 448—2008《礦用風(fēng)速傳感器》標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形風(fēng)洞，如圖6所示。風(fēng)速測量范圍為0～30 m/s，

測試段尺寸為1100 mm×1100 mm。

風(fēng)洞采用開環(huán)控制方式，依次調(diào)節(jié)不同風(fēng)速測試點，待風(fēng)速值穩(wěn)定后，記錄測量值與標(biāo)準(zhǔn)值，同時對傳感器進(jìn)行線性擬合與校準(zhǔn)。線性校準(zhǔn)后的傳感器性能測試結(jié)果見表1。

由表1可知，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)值與校準(zhǔn)后風(fēng)速測量值在0.1～15 m/s 內(nèi)具有較好的一致性。標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速為4.95 m/s 和25.10 m/s 時誤差均超過0.1 m/s。這是由于風(fēng)洞低速（＜4.9 m/s）測量使用的是熱式風(fēng)速傳感器，高速（＞4.9 m/s）測量使用的是皮托管，經(jīng)過測試，在該高低速轉(zhuǎn)換點有0.1 m/s 的轉(zhuǎn)換誤差，減掉轉(zhuǎn)換誤差后，測量誤差為0.02 m/s；25.10 m/s 在傳感器量程外，此時測試風(fēng)洞噪聲較大，震動引起的測量誤差較大。測試結(jié)果表明，對射式風(fēng)速風(fēng)向傳感器滿足風(fēng)速在0.1～15 m/s 內(nèi)誤差小于0.1 m/s 的設(shè)計要求。

4結(jié)語

基于超聲波對射式測風(fēng)原理，設(shè)計了以 STM32為核心的礦用對射式風(fēng)速風(fēng)向傳感器。介紹了傳感器總體結(jié)構(gòu)、收發(fā)電路設(shè)計、濾波算法及軟件流程。依據(jù)設(shè)計方案研發(fā)了測試樣機。在環(huán)形風(fēng)洞中的測試結(jié)果表明，該傳感器風(fēng)速測量值與風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)值在0.1～15 m/s 內(nèi)具有較好的一致性，能夠滿足智能化礦井對巷道風(fēng)速測量精度的要求。

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