[發明專利]基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置及方法

有效

• 申請號: 201310552254.X
• 申請日: 2013-11-08
• 公開（公告）號: CN103558410A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 趙小春;孫敏;崔磊;徐立中
• 申請（專利權）人: 蘇州斯威高科信息技術有限公司
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01P13/02
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 劉憲池

技術領域

本發明涉及一種用于超聲波風速儀抗干擾的裝置及方法，尤其是一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置及方法，通過頻率掃描方式得到換能器系統的固有頻率，選擇與換能器系統固有頻率相鄰但不相等的頻率作為正常工作的信號頻率，并選用高衰減率、窄通帶的橢圓形濾波器，將超聲波風速儀周圍環境中的聲音、異響、嘯叫等外界干擾產生的噪聲信號從實現風速和風向測量的正常信號中剔除，從而避免外界噪聲對超聲波風速儀的影響。

背景技術

風速和風向是氣象學中的重要參數，這兩個參數的測量精準度直接影響到氣象預報的準確性。超聲波風速儀是一種新型的風速和風向測量儀器。工作時，超聲波風速儀在發射換能器端施加激發信號，使得發射換能器向外發射超聲波波束。超聲波波束在空氣中傳播，經過一定時間之后，到達接收換能器端，使得接收換能器產生相應的接收信號。當周圍環境的風速較大時，超聲波波束的傳播速度就快，到達接收換能器的傳播時間就短，相反，當周圍環境的風速較小時，超聲波波束的傳播速度就慢，到達接收換能器的傳播時間就長。從而，超聲波風速儀就可以通過計量激發信號和接收信號之間的傳播時間，判定出周圍環境的風速和風向。超聲波風速儀擁有測量精度高、測量范圍寬、低功耗等優勢，因此,超聲波風速儀廣泛應用于電力、鋼鐵、石化、節能等行業。

為實現超聲波風速儀的低功耗性能，并且同時保證超聲波風速儀測量風速時的信號強度，超聲波風速儀往往選擇換能器系統（包含發射換能器與接收換能器）的固有頻率作為信號激發和信號接收的工作頻率，即發射換能器的激發信號頻率，以及接收換能器的接收信號頻率，都等于換能器系統的固有頻率。

超聲波風速儀工作頻率等于換能器系統固有頻率的特點，使得超聲波風速儀在實際使用過程中，極易受到周圍環境中存在的聲音、異響、嘯叫等外界噪聲的干擾。這是由換能器系統的工作特點所決定的。換能器的作用是實現聲音和電信號互相轉換，因此換能器在超聲波風速儀中是最為關鍵的傳感器。當外界產生噪聲時，換能器將對這些噪聲有所感應，并將這些噪聲轉換為電信號。相對于正常的接收信號，由噪聲引起的電信號，將使得超聲波風速儀誤以為超聲波波束提前或延后到達接收換能器，導致對超聲波波束傳播時間的錯誤計量，從而導致超聲波風速儀對風速和風向的測量錯誤。外界噪聲干擾將影響到超聲波風速儀的測量精度，嚴重時甚至導致超聲波風速儀無法正常工作。

為避免外界噪聲干擾對超聲波風速儀的測量精度的影響，一般采用低通、高通、帶通等濾波器的方式來提高超聲波風速儀的抗干擾能力。但是，這些濾波器方式存在著一個固有缺點：濾波器雖然可以過濾掉換能器系統固有頻率之外的噪聲干擾，但由于正常信號的工作頻率和換能器系統固有頻率相等，因此為保證正常信號的強度，濾波器也將無法過濾掉頻率與換能器固有頻率相同的噪聲信號。

為避免外界噪聲的干擾，也可以采用基于數值計算的現代濾波方法，通過各種數學方法和統計規律，估計出頻率與換能器固有頻率相同的噪聲信號的強度，從而將噪聲信號從正常信號里面剔除。但是，為實現這種現代濾波方法，通常要求超聲波風速儀的控制器有強大的計算能力和數據處理能力，這不但會直接提高控制器的經濟成本，還會大幅度提升超聲波風速儀的功耗。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾裝置，由換能器固有頻率測試模塊、非固有頻率換能器激發源、高衰減率窄帶通濾波器共同實現；

本發明的另一目的是提供一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾方法，通過頻率掃描方式得到換能器系統的固有頻率，選擇與換能器系統固有頻率相鄰但不相等的頻率作為正常工作的信號頻率，并選用高衰減率、窄通帶的橢圓形濾波器，將超聲波風速儀周圍環境中的聲音、異響、嘯叫等外界干擾產生的噪聲信號，從實現風速和風向測量的正常信號中剔除，從而避免外界噪聲對超聲波風速儀的影響。

為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案：

一種基于非固有頻率激發的超聲波風速儀抗干擾的裝置，其特征在于，包括超聲波風速儀的第一發射換能器、第二發射換能器、第一接收換能器和第二接收換能器，還包括換能器固有頻率測試模塊、非固有頻率換能器激發源和高衰減率窄帶通濾波器，其中，所述換能器固有頻率測試模塊的信號輸出端連接第一發射換能器和第二發射換能器的信號輸入端，所述換能器固有頻率測試模塊的信號輸入端連接第一接收換能器和第二接收換能器的信號輸出端；所述非固有頻率換能器激發源的信號輸出端連接第一發射換能器和第二發射換能器的信號輸入端；所述高衰減率窄帶通濾波器的信號輸出端連接第一接收換能器和第二接收換能器的信號輸入端。