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时差法测流的非均匀流场流速模型及算法实现

电子设计工程 2023年第4期31卷 1-6页

作者：曲金秋宗泽褚泽帆朱健勇王猛水利部南京水利水文自动化研究所江苏南京210012 水利部水文水资源监控工程技术研究中心江苏南京210012

针对传统测流设备抗干扰能力差、效率低、超声波时差法测流设备严重依赖进口且误差大等问题,设计了非均匀流场的超声波时差法测流系统。该系统的设计过程分为系统总体方案设计、算法设计、系统硬件设计和软件平台的搭建四部分,明确了由... 详细信息

针对传统测流设备抗干扰能力差、效率低、超声波时差法测流设备严重依赖进口且误差大等问题,设计了非均匀流场的超声波时差法测流系统。该系统的设计过程分为系统总体方案设计、算法设计、系统硬件设计和软件平台的搭建四部分,明确了由电源转换板、数据处理板、信号处理板和超声波传感器组成的系统结构,设计了可提高测量精度的非均匀流场流速计算模型和可拆分式层级结构的电源转换板、数据处理板、信号处理板,介绍了非均匀流场流速计算算法的软件实现方式和完整的软件结构。将设计系统应用于多个水文站进行运行、试验和比测,结果表明,该系统可实现流速流量测量、数据通信和展示,对明渠和大江大河的流速流量测量误差小于4%。

关键词：非均匀流场时差法测流流速

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基于时差法的高精度超声波风速风向测量系统

仪表技术与传感器 2022年第2期 79-83页

作者：杨阳阳崔永俊侯钰龙中北大学仪器与电子学院仪器科学与动态测试教育部重点实验室电子测试技术国防科技重点实验室山西太原030051

针对风速风向对悬索桥的安全性影响,为了实现对悬索桥风速风向的精确监测,设计了基于时差法的高精度超声波风速风向测量系统。系统采用STM32为控制单元,超声波换能器为敏感单元,实现发送和接收超声波信号,MS1022高精度时间测量模块为测... 详细信息

针对风速风向对悬索桥的安全性影响,为了实现对悬索桥风速风向的精确监测,设计了基于时差法的高精度超声波风速风向测量系统。系统采用STM32为控制单元,超声波换能器为敏感单元,实现发送和接收超声波信号,MS1022高精度时间测量模块为测试单元,实现超声波飞行时间的计量,LoRa无线模块为数据传输单元,实现风速风向数据上传至上位机,上位机为显示处理单元,实现数据实时显示。经实际测试,系统风速测量误差在0.1 m/s以内,风向测量偏差不超过0.8°,达到了《数字风速仪检定规程》的标准。

关键词：时差法超声波风速风向滑动窗口滤波算法 LoRa

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运动声源快速定位的声达时差法

声学学报 2020年第1期45卷 69-76页

作者：杨殿阁张凯苗丰温俊杰连小珉清华大学汽车安全与节能国家重点实验室智能型新能源汽车协同创新中心北京100084

针对声达时差法只能用于非运动声源定位的问题,本文提出一种运动声源快速定位方法。该方法以声达时差为基本定位原理,基于声源计算位置对多普勒效应进行解耦并进行声信号多普勒效应修正,根据三角定位方法构建声传播空间矩阵,以声源位置... 详细信息

针对声达时差法只能用于非运动声源定位的问题,本文提出一种运动声源快速定位方法。该方法以声达时差为基本定位原理,基于声源计算位置对多普勒效应进行解耦并进行声信号多普勒效应修正,根据三角定位方法构建声传播空间矩阵,以声源位置偏差度为目标基于单纯形优化搜索算法进行声源位置快速逼近,实现了对匀速直线运动的单声源的定位追踪,提高定位实时性。该方法将声达时差法拓展到运动声源的定位,同时解决了消除多普勒效应带来的计算过程复杂、运算量大的问题,仅用4个传声器就可实现运动声源的快速定位,突破了传统运动声源识别中对大传声器阵列的依赖。仿真实验和实车运动声源识别实验结果证明了该方法的有效性,本研究为短时发声运动声源的识别提供了一种简便、高效的方法。

关键词：传声器阵列多普勒效应快速定位时差法

时差法与鉴相法相结合的超声波风速风向测量系统设计

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时差法与鉴相法相结合的超声波风速风向测量系统设计

作者：党文杰天津大学

学位级别：硕士

超声波风速测量技术是近年来风速测量领域应用最广泛的技术,然而,传统基于时差或鉴相原理的超声波风速测量方法存在不能同时兼顾测量精度和测量范围的问题。为此,本文提出了一种时差法与鉴相法相结合的大量程高精度超声波风速测量方法,... 详细信息

超声波风速测量技术是近年来风速测量领域应用最广泛的技术,然而,传统基于时差或鉴相原理的超声波风速测量方法存在不能同时兼顾测量精度和测量范围的问题。为此,本文提出了一种时差法与鉴相法相结合的大量程高精度超声波风速测量方法,并搭建了超声波风速测量系统原理样机,实现了大量程高精度的超声波测量。主要研究工作如下:1、针对大风速环境气象监测及低速风洞实验对风速测量仪大量程高精度的测量需求,建立了将时差法与鉴相法相结合的超声波风速测量模型,设计了系统总体方案,并对关键技术进行了分析。2、针对传统超声波风速时差阈值测量法受信号幅度波动导致信号到达时刻测量不准,以及传统基于单频脉冲时差相关测量法中相关结果的主旁瓣抑制比低导致测量精度有限的问题,提出了基于脉冲组合信号、线性调频信号和Costas编码信号的三种互相关时间差高精度测量方法,有力提升了互相关结果的主旁瓣抑制比及定时精度。针对市面上现有超声波换能器窄频带的特点,通过实验对比分析了三种互相关时间差测量方法的测量精度,确定了用于时差测量的最优方案。3、针对传统鉴相法鉴相精度不高且鉴相范围有限的问题,通过构建整周期鉴相电路模型,发展了一种±180°数字鉴相方法,扩展了线性鉴相范围,提高了鉴相精度。进一步,为了解决鉴相法测量范围有限的问题,本文将时差法与鉴相法相融合,在保证风速测量范围的同时提高了测量精度,实现了大量程、高精度超声波风速测量。4、基于超声波风速测量原理设计了超声波发射和接收系统。设计了基于查表法的信号产生模块,实现了单频脉冲组合、调频和跳频超声波信号的产生。根据超声波换能器的容性阻抗特性及发射信号衰减特性,设计了具有调谐匹配、拖尾吸收及功率放大功能的驱动电路,提高了换能器的电声效率,缩短了换能器输出信号的拖尾衰减时间。根据时差与鉴相相结合的超声波风速测量原理,设计了低噪声恒相位信号调理电路、高精度时差测量电路以及高精度数字鉴相整形电路。基于FPGA,通过时差测量和数字鉴相,实现了风速的大量程高精度测量。5、搭建了超声波风速测量系统样机并设计了风速风向测量标定实验。实验结果表明:风速测量范围为0-75m/s、分辨率为0.05m/s,在风速小于20m/s的条件下风速测量相对误差低于测量值的3%,在风速大于20m/s条件下,风速测量相对误差低于满量程的1%;风向测量绝对误差低于3°、分辨率为0.1°。

关键词：超声波风速风向测量时差法鉴相法高精度大量程

时差法超声波测流系统在刘老涧泵站的应用分析

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江苏水利 2022年第S02期 61-64页

作者：陈武黄毅力刚施翔江苏省骆运水利工程管理处江苏宿迁223800

刘老涧泵站上游引河安装时差法超声波流量实时监测系统,以该流量监测系统为例,介绍时差法超声波流量计在大型泵站引河渠道中应用的工作原理、安装方式、流量计算方法等。从走航式ADCP与时差法超声波测流系统同步流量测验的比测结果看,... 详细信息

刘老涧泵站上游引河安装时差法超声波流量实时监测系统,以该流量监测系统为例,介绍时差法超声波流量计在大型泵站引河渠道中应用的工作原理、安装方式、流量计算方法等。从走航式ADCP与时差法超声波测流系统同步流量测验的比测结果看,结合泵站机组运行统计分析,该流量实时监测系统测得流量精度满足相关规范要求。在大型泵站流量测量中,该监测系统具备自动化和信息化优势,可较为明显地提高泵站各项监测能力,所获得的结果准确度更高,具备较高的应用与推广价值。

关键词：时差法测量原理应用分析远程诊断

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基于时差法的三维超声波风速风向传感器研发

基于时差法的三维超声波风速风向传感器研发

作者：葛玮江南大学

学位级别：硕士

三维风速风向测量在农业、生态等领域中有着重大的价值,但是国内的三维超声波风速风向仪技术上仍有待提高;三维超声波风速风向传感器自身结构影响待测量的环境风场,导致阴影效应的产生,从而引起测量误差。现有的阴影补偿方法研究多从阵... 详细信息

三维风速风向测量在农业、生态等领域中有着重大的价值,但是国内的三维超声波风速风向仪技术上仍有待提高;三维超声波风速风向传感器自身结构影响待测量的环境风场,导致阴影效应的产生,从而引起测量误差。现有的阴影补偿方法研究多从阵列结构上优化或局限于二维风速风向补偿。针对这些问题,本文研究开发了基于时差法的超声波三维风速风向传感器,并提出了基于随机森林回归算法的三维风速风向阴影补偿方法。本文主要工作包括:(1)基于时差法的超声波风速风向硬件设计与固件开发。传感器设计采用时差法测量方案,选择中心频率为200k Hz的超声波换能器作为收发探头。对三维正交测风结构的水平臂长进行优化,该优化结构稳定性高、体积适中、风速风向数据计算复杂度低。该设计以STM32F407ZGT6微处理器作为系统核心,设计了电源管理模块、超声波换能器驱动模块、信号处理模块、通道选择模块、高精度计时模块、通信模块以及温度测量模块。各模块电路性能良好,换能器激励信号稳定,放大滤波处理后的超声波回波信号增益达到46d B且信噪比达到21d B。在微处理器的任务调度下固件工作正常,实现了超声波飞行时间的获取并以此完成风速风向的计算。(2)三维超声风速风向传感器阴影补偿方法。通过随机森林回归算法建立三维风速风向阴影补偿模型,通过流体有限元仿真软件获取受传感器结构带来的阴影效应影响后的风速风向数据,并利用该数据训练和测试模型。结果表明:风速值与理论值的相对误差降低到±1%以内,垂直风向角与理论值的平均相对误差降低到-0.08%,水平风向角与理论值的平均相对误差降低到-0.8%,验证了该随机森林回归补偿算法在处理阴影补偿问题方面的可行性与有效性。(3)风速风向传感器系统性能测试。使用C#语言完成了系统测试软件开发,软件支持串口参数设置、单次与自动采集、数据显示、可视化曲线与保存等功能,支持最高32Hz的数据读取速度。使用无风校正方法修正探头空间距离与超声波飞行时间的系统延时后,设计与其他风速风向测量设备的对比实验,在搭建的实验环境中完成精度、稳定性与功耗等性能参数测试。实验结果表明本文设计的三维超声波风速风向传感器风速测量精度在±0.5m/s±0.05×v以内,风向测量精度在±3°以内;系统稳定性好;总功耗低至960m W。本文研究成果可以完成高精度的三维风速风向测量,提出的三维超声风速计阴影补偿方法有效降低了三维阴影效应的影响,为将来三维风速风向测量提供了低成本、高精度的传感器。

关键词：超声风速风向时差法三维正交测风阴影补偿方法

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基于时差法的超声波液体流量测量系统设计

基于时差法的超声波液体流量测量系统设计

作者：聂仁智中北大学

学位级别：硕士

流量测量是计量领域的三大检测参数之一,对保证产品质量、提高生产效率、促进科技发展具有极其重要的作用。液体流量测量作为流量测量的一个重要分支,在石油化工等生产领域、科学研究等学术领域、衣食住行等生活领域发挥着重大作用。相... 详细信息

流量测量是计量领域的三大检测参数之一,对保证产品质量、提高生产效率、促进科技发展具有极其重要的作用。液体流量测量作为流量测量的一个重要分支,在石油化工等生产领域、科学研究等学术领域、衣食住行等生活领域发挥着重大作用。相较于其他液体流量测量技术,超声波液体流量测量技术凭借不与被测液体接触、测量精度高、适用性强等优点被广泛应用。国外对超声波液体流量测量的研究开展早、成果多,产品适用场景广。我国相关研究起步较晚,稳定性和可靠性欠佳,整体产品较市场需求还有一定距离。基于上述问题,对成本合理、可靠性和稳定性高的超声波液体流量测量系统的研究就具有重要的研究意义和很强的实用价值。本文首先查阅相关文献,明确了超声波的特性,对常见的超声波液体流量测量原理进行了研究并进行了对比,选定以时差法作为测量原理并对时差法进行了优化;比较了超声波换能器各种安装方式的特点,选择采用Z字型安装方式;就超声波换能器的种类及特点进行了对比,选择采用压电陶瓷超声波换能器进行测量。其次,对超声波液体流量测量系统方案进行了总体设计,采用FPGA作为流量测量系统的控制核心,对硬件系统进行了设计。在硬件基础上对测量系统的软件系统进行了设计,二者相辅相成、共同作用。采用MS1022高精度时间测量芯片对超声波在液体中的传播时间进行测量。最后,对所设计的超声波液体流量测量系统进行了测试,构建了测试环境,进行了系统校准、静态环境测试以及动态环境测试等实验,将设计样机的测量数据与参考流量计测量的数据进行对比分析。测试结果表明,所设计超声波液体流量测量系统的相对误差低于2.5%,具有较高的稳定性和可靠性。

关键词：超声波时差法液体流量测量 FPGA MS1022

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时差法超声波热量表测量流量的修正算法

现代制造工程 2013年第6期 101-104,131页

作者：王贤妮孙丽华宋财华南昌大学信息工程学院南昌330000 南昌大学软件学院南昌330000 江西三川水表股份有限公司鹰潭335000

分析超声波热量表流量测量原理及误差产生原因,同时基于流体力学修正流量原理并结合大量实验数据提出一种新的流量修正方法——查表法。实验结果表明,用查表法修正流量后,测量误差小于±2%,达到了超声波热量表二级表的国家标准。

关键词：时差法流量修正查表法

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一种高精度时差法超声波水表的设计与实现

传感技术学报 2019年第8期32卷 1175-1181,1193页

作者：王磊阳陈建峰刘明祥张凯中国计量大学计量测试工程学院

为了克服传统机械式水表存在的计量灵敏度低、压损大、长期磨损导致精度降低等问题,提出并实现了一种基于时差法和数据滤波的新型超声波水表。设计了由STM32F071主控芯片、高精度计时芯片TDC-GP22等组成的超声波水表硬件系统,支持温度... 详细信息

为了克服传统机械式水表存在的计量灵敏度低、压损大、长期磨损导致精度降低等问题,提出并实现了一种基于时差法和数据滤波的新型超声波水表。设计了由STM32F071主控芯片、高精度计时芯片TDC-GP22等组成的超声波水表硬件系统,支持温度补偿和低功耗模式;提出了结合卡尔曼滤波与算术平均的新型数据滤波算法,有效降低了测量误差,提高了水表的测量精度。实验测试及检定数据表明,该超声波水表具有精度高、功耗低等特点,综合性能能够满足实际工程应用的需要。

关键词：电子测量超声波水表时差法卡尔曼滤波 STM32F071 低功耗