本发明专利技术公开了一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法。测量仪包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。流速测量方法包括发射测量信号、接收水声回波超声波信号、选频放大水声回波电信号、估计多普勒频移和测量流速步骤。它采用5MHz测量信号，通过自相关算法计算多普勒频移测量流速，对水体粒子要求低，测量范围较宽，精确度较高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种流速测量仪和流速测量方法，尤其是一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法，属于水声测量仪器
技术介绍
自从20世纪80年代，我国城市污水处理已经在各方面有了很大的进展，但是其形势仍然极其严峻。我国目前淡水资源相当短缺,而且我国目前的水污染形势较严峻,特别是城市污水的排放对地表水和地下水水质的影响非常突出。但由于我国污水处理起步较晚、基础较差，处理设施严重不足,城市排水管网普及率及管道收集率较低。现有的接触式水流流速测量仪，按照水流速传感器的不同有螺旋桨式和旋杯式等，其还存在着设计水平低、设备质量低、运行稳定性较差等诸多问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法。本专利技术所采取的技术方案是：技术方案一：一种声学多普勒流速测量仪，包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。所述单片机为STM32F407。所述发射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。所述接收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接所述混频电路的相应输入端；所述接收换能器包括压电陶瓷片；所述谐振放大电路和第一可控增益放大器的中心频率均为5MHz；所述第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器的中心频率均为455KHz；所述本振信号发生电路输出4.545MHz正弦信号。所述的声学多普勒流速测量仪，还包括用于测量水温的温度补偿模块，所述温度补偿模块与单片机双向连接；所述温度补偿模块包括数字温度传感器。所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。所述的声学多普勒流速测量仪，还包括压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。所述的声学多普勒流速测量仪，还包括电源模块，所述电源模块输入+12v电压，输出+6v电源电压、+5v电源电压和+3.3v电源电压；所述+6v电压为所述发射模块供电；所述+5v电源电压为所述接收模块供电，所述和+3.3v电源电压为所述控制电路、温度补偿模块、压力模块和单片机供电。技术方案二：一种应用技术方案一所述声学多普勒流速测量仪的流速测量法，包括以下步骤：步骤1：发射测量信号：所述发射模块发射5MHz的超声波测量信号；步骤2：接收水声回波超声波信号：所述接收模块接收水声回波超声波信号，将其转换为水声回波电信号；步骤3：选频放大水声回波电信号：所述接收模块以5MHz为中心频率选频放大所述水声回波电信号，将其输出至所述单片机；所述单片机内置采样模块对其离散化后的采集信号为：X(nτ)＝R(nτ)+jI(nτ) (1)令Ar为幅度，ω0为多普勒频移角频率，τ为取样周期，所述采集信号的实部和虚部分别为：R(nτ)＝Ar*cos(ω0*nτ) (2)I(nτ)＝Ar*sin(ω0*nτ) (3)步骤4：估计多普勒频移，由以下具体步骤组成：步骤4-1：对所述采集信号的实部和虚部进行互相关处理，得到：S1＝R(nτ)*I[(n+1)τ]-I(nτ)*R[(n+1)τ] (4)S2＝R(nτ)*R[(n+1)τ]+I(nτ)*I[(n+1)τ] (5)步骤4-2：计算多普勒频移中心频率：fa＝[1/(2nτ)]*arc tg(ΣS1/ΣS2) (6)步骤5：测量流速V：V＝C*fa/4*π*ω0*cosα (7)其中，C为所述接收换能器阵附近的声速，计算方法为：C＝1449.2+4.6u-0.055u2+0.29*10-3*u3 (8)其中u为所述接收换能器阵附近的海水温度，℃；α为声线与水平方向的夹角。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过自相关算法计算多普勒频偏测量流速，对水体的粒子要求较低，测量范围较宽，精确度较高。2、本专利技术采用5MHz测量信号，对水中细微颗粒物更加敏感，测量精度更高。3、本专利技术数据采集时间间隔为10s，数据采集更加，实时性更好。4、本专利技术增加了温度补偿电路，对测量结果进行温度补偿，解决了声波的传播速度受到水温影响的问题。5、本专利技术增加了压力电路，实现水深、温度和流速的综合测量。附图说明书下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术实施例1的原理框图；图2是本专利技术实施例1中发射模块的原理框图；图3是本专利技术实施例1中接收模块的原理框图；图4是本专利技术实施例2的流程图。具体实施方式实施例1：如图1所示，一种声学多普勒流速测量仪，包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。所述单片机为STM32F407。如图2所示，所述发射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。如图3所示，所述接收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种声学多普勒流速测量仪，其特征在于：包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。
【技术特征摘要】
1.一种声学多普勒流速测量仪，其特征在于：包括发射模块、接收模块、
控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应
输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所
述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。
2.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述单
片机为STM32F407。
3.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述发
射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述
电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥
驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥
驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。
4.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述接
收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频
电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的
输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶
瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接
所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接所述混频电路
的相应输入端；所述接收换能器包括压电陶瓷片；所述谐振放大电路和第一
可控增益放大器的中心频率均为5MHz；所述第一陶瓷滤波器、第二可控增益
放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器的中心频率均为455KHz；所
述本振信号发生电路输出4.545MHz正弦信号。
5.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：还包括
\t用于测量水温的温度补偿模块，所述温度补偿模块与单片机双向连接；所述
温度补偿模块包括数字温度传感器。
6.根据权利要求5所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述数
字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。
7.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：还包括
压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。
8.根据权利要求1所述的声...
【专利技术属性】
技术研发人员：王三名，范寒柏，袁野，万福海，苑文，
申请(专利权)人：王三名，
类型：发明
国别省市：河北;13
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