雙超聲波干涉偏移法測量流體流速.docx

1、EENXCHBETOCMITSaOWT實驗技術(shù)與管理IcriTka/nciMErmcrti第36卷第1期2011-1月«.36hfc>,123191X)12.1679Vl<ri.M.2D19.O1.015雙超聲波干涉偏移法測量流體流速陳水橋”鄭遠，王紐"王宙洋n何亮伊江大學物理學系。浙江杭州31GC27>摘要:介紹r一種基于兩個波源的雙超聲波干涉偏移法測量流體流速.推導利用介質(zhì)流動造成的偏移效應(yīng)來測量流體速度的近似公式利用超聲波信號干涉的方程揭示出了流體的流速與超聲波信號干涉強度之間的關(guān)系結(jié)合計算機模擬和分析r這種關(guān)系劣得了曲線的線性近似的適用范圍/U用C

2、ASS/系統(tǒng)平臺對氣體流速進行了測量和驗證分析了實驗誤差.實驗證明利用雙超聲波涉偏移法測J量流體流速的結(jié)果與現(xiàn)有的風速儀刪星的值基本吻合疽F均相對誤差為5.5%-關(guān)鍵詞二流體流速二雙超聲波干涉二波束偏移效應(yīng)ZQASSLdo中圖分類號2-TW51文獻標識瑪二A文章編號二1OC83EffiQD19初EggCHENStJoed-ZHENGLbi，WANGKLo，WANGHEUet(Ljartrna-t-Harfmj3lGCE7/VMirct-ActxhfeLBry：w>fcscfEdt.mdtccbfe-msscrv-fUdbEssdcrrttB±v><SAetvmadL

3、m-ffciAr心cferiued.ThetKjndnp>bdtwseTthecfHtidandltiei_tarfeorcjecffctQj&fecJutJrk-andSacrrtiimvAfcicxrriaahxJteticriandcfHterdhtionyDcdFtteIhHErioiTEtizncPtfecxroeMddteared.TheGASS'/LbpK&mMusedtomaEB-teandppcandtheOf»WTCT-tcfmEEarwH-fcltyancttheauar»ue«ror-fc5.47%.Keywh

4、L二flL5dx<*3EdciiUKiBn=xritcrcrcobcEmcf&tjeffel_*CSSi<I常見的流體流速測量方法有流體通過孔板產(chǎn)生微壓差法測量流體流速優(yōu)點是實現(xiàn)方法簡便缺點是測雖受外界干擾比較大熟線法測雖流體流速利用r熱線電流與流速的關(guān)系優(yōu)點是直觀缺點是儀器調(diào)節(jié)比較繁瑣誤差較大多普勒頻移法測量流體流速需要測量粒了的速度疫現(xiàn)難度較大10-除此之外走I聲流量計也是一種比較好的測量流體流速的方法它常利用波束偏移法湘關(guān)法、噪聲法等實現(xiàn)流量測定.超聲波具有頻率高方向性好、抗干擾能力強等特點所以在許多科技領(lǐng)域都起到了重要的作用.在大學物理收稿日期2D18XKD9作者簡

5、介撕水橋<3971-痢江湖州頂上*級工程師JJf究方向為物理實騎技術(shù)與實驗室管理.lUnil)g|by)g豆不/實驗教學中利用超聲波的干涉可以精確地測量空氣中的聲速由-在工業(yè)應(yīng)用中斑聲波也可以用來測量風速和流體流量.常見的超聲風速儀一般基于時差法包括相位差、頻差等冰實現(xiàn)3-其中琳統(tǒng)的波束偏移法是基于單個超聲波波源下利用兩個接收器收到的信號強度的差異來計算發(fā)射器發(fā)出的波束偏移角進而推算出介質(zhì)的流速田忐種方法適用于流體流速較大的情況但在低流速情況下其測鼠靈敏度低，測量誤差較大而且響應(yīng)慢抗干擾能力也弱.本文基于兩個超聲波波源的雙超聲波干涉原理并利用介質(zhì)流動造成的偏移效應(yīng)測量流體流速.為了提高測

6、量精度還用計算機模擬和分析了流體流速和超聲波信號強度的關(guān)系并利用QASSy系統(tǒng)平臺對氣體的流速進行了測量.雙超聲波干涉偏移法在測量流體低流速情況下具有優(yōu)勢而且其對多變的流速響應(yīng)較快.測量數(shù)據(jù)獲得的時效性也較強-1雙超聲波干涉偏移原理1. 1干涉方程如圖1所示設(shè)有兩個發(fā)射正弦波的相干波源超聲換能器太和&靠距其所在直線距離為I.的位置有一個接收器RJW為通過流體介質(zhì)的玻璃管道凋中u為流體流速-1、分別為兩個相干波源到接收器的距離q為兩波源的間距X為接收器橫向中心軸和兩波源對稱軸的位移-其中v為波速£為波頻率-AL為兩束波到接收器位置的波程差3.=|LJ|A根據(jù)圖1可以推導出二句=

7、+x：y+ug（號敘亍+二由于波源的方向性和超聲波在傳播中的衰減，AM。一般隨方向角和距離變化則在該點的合振動強度有效值為I=V+yacL+2yiyaCiJ考慮積分時間T遠大于振動周期布二£y¥ct=T同時J.y，火旦作余弦函數(shù)的積化和差J弋入弋得到圖I雙超聲波干涉偏移法原理示意圖兩相干波的振動方程分別為yi=Aicx»C>L+*>、4>火=AaCEEPJl-+（i）o+JOI=+AlAacefit'ALJ3其中召，由4>弋給出-2計算機模擬與分析對代入初始條件原型實驗的環(huán)境變量卜同>固定Ai和AzJHWdfcm作出Tx的圖像

8、如圖對該圖中第一極小值處進行放大局部范圍內(nèi)可認為Ai。?變化不大四I和Aa取不同比值時可得圖2<GAQ_從圖中可以看出無論兩者比值如何在極小值點兩側(cè)均有段區(qū)域線性度較高-對圖2W種情況求出I的導函數(shù)藥到圖2會磚-（a）強度示意圖（m=/h）0.0000.0020.0040.006O.OOK<).010x/m(d)R部放大圖(.4,-154:)（e）尚度導函數(shù)府部圖像（4.-40圖2信號強度隨位移變化的模擬圖像由計算機模擬和分析可知在零級兩側(cè)線性度d2如果x和d比L小一個數(shù)量級及以上則可以認為+C2<7>性度較高的區(qū)域作為工作區(qū)間-由于xd匕時式近似為代入。>弋得到

9、I=/_±Ag<)1O在W相差不大的情況下嶺A=f=AJTT以進一步簡寫(T設(shè)無氣流時的接收器位置為X稱為工作點.設(shè)工的第一極小值點對應(yīng)位置為Xm-取_v打+4L?e_4dT線性近似的匚作方程歹以*示為O2><43>信號發(fā)生器離心風機接收褓放大歸CASSY控耕模塊儀器系統(tǒng)布局示意圖3.1.1QASSTLt>CASSrLdz»系統(tǒng)是I公司開發(fā)的、支持8S&/系列傳感器和采集模塊的軟件-通過國軟件可以直接測雖發(fā)出和接收聲脈沖的時間差-將計算機的串行通信接IICASSLdo系統(tǒng)采集模塊連接誠可利用CASST系統(tǒng)中的傳感器自動采集實驗數(shù)據(jù)-同時

10、還可用該軟件對數(shù)據(jù)進行實時取工作方程斜率-k=12*XXm處理-極大地方便了實驗的數(shù)據(jù)測量與處理-3.1.2主要參數(shù)S實驗中主要儀器參數(shù)及環(huán)境數(shù)據(jù)見表1-流速和信號強度的關(guān)系為較高-1.3波束偏移效應(yīng)當介質(zhì)以垂直于發(fā)射器、接收器正對方向的速度li流動時QL圖1其攜帶的聲波將發(fā)生漂移鍛漂移距離為Ax*項JAx=UsV其中S為一束聲波i從發(fā)射器到接收器的傳播距離-當UV時刀以忽略導的變化-當接收器位于X位置時危：K可寫成VIAx,=VX和x無關(guān)到Ax=氣iV在接收器所在的橫向直線上這表現(xiàn)為干涉圖像的漂移J1漂移距離和介質(zhì)流動速度U成正比-2近似方程和測量方案1. 1近似方程在實際測量時如果信號和被

11、測鼠存在或近似存在線性關(guān)系將大大降低系統(tǒng)設(shè)計和使用過程中的復(fù)雜程度.由前述的討論可知可以選擇第零級兩側(cè)線kl.2. 2測量方案分析當前條件下介質(zhì)中的聲速需要事先測量得到本文利用QASS/系統(tǒng)平臺測得-另外湖I度變化會導致聲速變化.考慮空氣和氣溫對聲速變化起主要作用-一般來說病于1個標準大氣壓B6濕度、GM%的06濃度的空氣3>15C和35C的聲速誤是為3.7%-對J'液態(tài)水"根據(jù)J.等的經(jīng)驗公式計算3.15C和W的聲速誤差為3.6%-所以在精度要求不高的工業(yè)應(yīng)用中習以不予考慮3-但在精度要求較高的場合下希要對5>七中的聲速v進行溫度修正到函<06>為了

12、簡化測雖，木文在實驗時保證r在恒定溫度下測量所以花計算時不考慮溫度的影響-3實驗與分析3. 1儀器系統(tǒng)儀器系統(tǒng)主要包括Ldo系統(tǒng)平臺B3/V離心風機和816型風速計爭中QASSYL>系統(tǒng)平臺主荽由控制器信號發(fā)生器敬大器和換能器等儀器組成-圖3為整個儀器測量系統(tǒng)示意圖-表1主要參數(shù)U零級峰值電壓/V816型風速儀箝度/%壞境溫度/%4.922.0951.433±5222. 2實驗與分析3.2.1實驗設(shè)計在無風情況卜先測量接收器所在直線上的信號強度最大值出I零級峰值ye等在信號發(fā)生溶無輸出的情況下測量背景噪聲yg調(diào)整接收溶位置吏干涉強度約為峰值一半剖星信號記為g。-啟動離心風機以不

13、同轉(zhuǎn)速使換能器間的空氣基本勻速流動分別測量信號發(fā)生器有輸出或無輸出下的接收器信號強度和yg。,并用風速計測量空氣流速!_5確定誤差12站考慮測量誤差以及風速計標稱準確度舟口-在空氣流速為1_1的情況下爭干涉強度QA電壓表示為丫。=y氧<J7>零級峰值強度為<)<)=yiupcy<iikO183.2.2實驗結(jié)果取工作斜率k=-2!6CM4n更中A用匕W代入由可求得氣體流速廣15Ll2為信號強度和氣體流速測量數(shù)據(jù).表2實驗數(shù)據(jù)s1AtC.>VtZns1相對誤差/%OO0.0O8B20.00o1.50.10.8361.8B25.33.00.2O.-D2351.74

14、.60.2O6B14875.96.00.4O.61A6.3D8.37.60.50.5®BCD6.59.00.6O.4S59.M7.1TO.40.60.45110.450.512.008O3B711.990.11320.90.32313.E52.7W.80.9O.23D1.416.01.0O.2T716.130.8空氣流速U和風速計測雖空氣流速Ug曲線圖見圖4-山式3&計算得出的空氣流速U和用風速計測量空氣流速比較曲線圖可見洲者測得的數(shù)據(jù)基本吻合-平均相對誤差為5.5%-3.2.3誤差分析本實驗的主要誤差來源于所使用的標定儀器尤其是816型風速儀出測量頭體積較大。；葉式設(shè)計圖4

15、流速比較影響靈敏度g由實驗中對不同風速進行了多次測量獲得了比較理想的數(shù)據(jù)，并采用了多次測量取平均值的方法來減小風速測量帝來的誤差-實驗中貝機剛剛開啟時會產(chǎn)生一個頻率約為18叱KJ明顯的噪聲信號隨著風速變大該信號頻率變化不大.由于測量流速通常不需要讓換能器間隔很大距離起聲波在介質(zhì)中傳播的衰減不明顯或采用更高頻率的換能器將有助于減小誤差-實驗的另一個誤差來源于系統(tǒng)平臺的硬件條件懷文采用的是4OUH2的超聲換能器-在管道中左右的環(huán)境噪聲最強臼心-雖然本實驗中各組數(shù)據(jù)已經(jīng)減去相應(yīng)的環(huán)境噪聲強度但是噪聲對超聲波干涉波形產(chǎn)生的影響是無法消除的臼山-為了減小這些誤差疫驗中利用寬拾音范圍的麥克風和示波器在切斷

16、換能器信號源的情況下對風道噪聲進行了定性測定-4總結(jié)利用雙超聲波干涉偏移法測量流體流速系統(tǒng)具有以下特點方法簡單、測量響應(yīng)快能測星低流速下的流體介質(zhì)的流速實驗數(shù)據(jù)表明推導出的近似公式的線性度較高.如果需要進一步擴大刪量范圍則可以對數(shù)據(jù)進行非線性擬合這將是下一步研究的重點.另外.本系統(tǒng)以換能器輸出電壓為被測量故其絕對誤差不受風速的限制.一定范圍內(nèi)流速和電壓的關(guān)系可以作線性近似處理-本裝置己經(jīng)中請到國家發(fā)明專利.參考文獻李茂山.一神牯確測*超聲波速按的方法瑚聲波干涉測算:聲速EQ實用測試技術(shù)J9SBC3巨周天賜刷：水橋.基于超聲波干涉的擬合法計紹聲速及其誤差分析匚浙江大學學報3?學版：811（下轉(zhuǎn)第

17、66頁）4結(jié)論<4）分析了減振器非磁性液缸內(nèi)磁性液體的頻率與外加磁場間的關(guān)系并得到頻率的計算表達式.>當外部振動頻率變化時9卜加磁場使得磁性液體固有晃動頻率與激勵頻率之比為某一定值時減振效果最佳因此調(diào)諧式磁性液體減振器能在較寬的頻率范圍-直保持減振效果最佳實驗結(jié)果與理論致性較好.實驗發(fā)現(xiàn)鳥激勵頻率發(fā)生變化時展振器液缸內(nèi)磁性液體液深不變外加磁場能夠改變磁性液體固有晃動頻率從而達到最佳減振效果的基礎(chǔ)上使得減振器減振效果隨磁場增大略有提升.參考文獻E3陳套.李愛抑-張志強各.自立式高聳結(jié)構(gòu)愁吊我TMD誠振助E3糖專掀胃5¥矗唁程赭磁?1所始魂¥8振探討B(tài)塢JE程與程振

18、動.2D140V1河1RTOM8HAOXXNGHEwTCNGFEIGE-MZMOUNCONG.采用萬向支架陀蝶儀的高段結(jié)構(gòu)誠振控制研充匚口01律僧襯專程:男.半主動變剛度-n_co政振控制的研究B振動與沖擊-2012-3185X564&孔令倉.李立.王澤軍名.調(diào)諧液體阻尼器對高層結(jié)構(gòu)抗箴性團瓣乎按曹甲泳嗤結(jié)般砌淬劇振施與數(shù)值口.>模擬J.建筑結(jié)構(gòu)學報20153613X313&ZHANGZ-ST7WOA-BASUBcfESGasrtUTeclcferrp»sCn_IZte1o-Mfc»fc>T<x>*tKlI.tqcfsvvcttLtt

19、iresLurgtctOArrst621鐘振寧.樓文娟.設(shè)置非等戴面neo高層建筑在風荷我作用下誠報分析U1浙'.大學學報C.學版>-2O13-47>»CB1GICS763YAOJ-CHANGJ-LID-<t«IPecirCTTwsserSaGrxrflLidjucKsfcujtocr-L_C1UtxrrKflcfMefxtagn&h/fxtx-2D16-C2SECB3.日Oil李德才.磁性液體理論及應(yīng)用QQ北京*1學出版社23C8.Ei劉鸞莉析慶浙-楊文榮.娥性液體微壓差傳感囂動志建模研究ca電工技術(shù)學報-Rig刊ixs2B2謝召.李德才

20、.邢延思.新型破性液體微壓差傳感器的設(shè)計及耐壓分析B儀器儀表學報-2CH5-36>a3K2D12MUOHNOK-SHIMCDAM-SWADAT.心8ftradRxfcfdiTtjyi-iJjmlomEvtiflLidvsAticFvdxlKomExftiCflJFbvsCtrcirBMto-2X8-2DD>23TV45G43J.一薦德才.E慶宙.成性液體阻尼M振器的設(shè)計與實駛研究CU栽人航天-2D13,19C5>7XP9.(553ROtfch/VtlMRE.rnEjxti-flLicfeCjZlNew1006-2D=W6GW8.BelBASHTovarv-lavrovao.m

21、itkovatFfcwxi<drt>cju<xtKTi£»o_rd音prrrrrTtrtimE<±JL£lJbcrrciMtcrfcfc-23CE5-2393DC21OB70BASHTOVOVGKABACHh»<OVDNKOLCBOVAYat口.FBBad-tcFthecnaTBScfmnStiz7flc4/TErri2«>ter-Q3CR252<5>=3123BW.GaZIYANGX.YANGQYANGW土H.axicjiTvmefendiK4A2Ictarj»匕Horrli

22、rtJCtrferrot;cr»EirtriiJtvt«fw«aserd2DT7=C5.-j日母楊文榮王強-秦佳峰驀.基于磁性液體的寂振技術(shù)研究J.電工技術(shù)學報-2013-280?刊1X8SQ洞梁啟神熊俊明-黃慶輝.調(diào)諧液體阻尼器對高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)控制研究綜述B世界地震工程.2m-iaCi>=23328,2316-126ZH-EB31.上接第61頁）耳丁向輝-李平??；曉禪.高精度超聲M速測盤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)B儀發(fā)技術(shù)與傳螃2S-2011。海3»4羅守南，基于超聲多普勒方法的管道流量測電研咒正口.北京新華大學.208盡黃永峰.時差式超聲流fit計新測量方法的設(shè)計與實現(xiàn)£»哈爾濱聚爾濱T.程大學.200763梁國偉探武昌.流量測H技術(shù)及儀表RiU北京WLWi工業(yè)出版社-23Ce&3CRAMBEO.