[發明專利]基于超聲波多普勒法的冰下河水流速測量裝置

在審

• 申請號: 202011441142.3
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112362901A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 段清明;孟憲峰;李姍珊;劉子銘;趙虎;蘇水荻
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 沈陽維特專利商標事務所(普通合伙) 21229
• 代理人: 李丹

本發明公開了一種基于超聲波多普勒法的冰下河水流速測量裝置，包括：超聲波發射裝置、超聲波接收裝置和上位機，其中，所述超聲波發射裝置和超聲波接收裝置均與上位機連接，所述超聲波發射裝置設置于冰面上，所述超聲波接收裝置設置于冰面上且沿河水流動方向與所述超聲波發射裝置間隔設置，所述上位機用于接收所述超聲波接收裝置發送來的超聲波回聲信號，并利用多普勒頻移測速原理計算出冰下河水流速。該基于超聲波多普勒法的冰下河水流速測量裝置，結構簡單，適用于含雜質顆粒較多的水質，測量精度高，適用范圍廣。

技術領域

本發明涉及水流速測量技術領域，特別提供了一種基于超聲波多普勒法的冰下河水流速測量裝置。

背景技術

隨著我國經濟社會的發展，河流綜合利用逐漸成為重要的研究課題，水文信息與航運、水利、生態等部門息息相關，而流速作為一項重要的水文情報，其準確測量對水文信息的準確性至關重要。流速儀是測量流速的儀器，被廣泛應用于專業水利水文研究流速測量的單位中。

測量河水流速的方法有很多，懸槳流速測量法和傳播速度差法運用較廣泛。其中，懸槳測量法是將測量裝置探入水下，雖然可以測得各深度的流速，但受環境影響較大，我國東北氣候寒冷，在結冰之后運用懸槳測量法需要破冰，耗費大量的成本和人力；傳播速度差法是向冰面發射超聲波，用換能器接收反射回的信號，通過超聲波順流和逆流的速度差求得河水流速，雖然結構簡單，但超聲波傳播與水流速度差距極大，對超聲傳播速度測量精度要求很高。

因此，研制一種具有較高精度且不易受天氣環境等因素影響的冰下河水流速測量裝置，成為亟待解決的問題。

發明內容

鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于超聲波多普勒法的冰下河水流速測量裝置，以解決現有河水流速測量裝置難以在冰面上準確測量的問題。

本發明提供了一種基于超聲波多普勒法的冰下河水流速測量裝置，包括：超聲波發射裝置、超聲波接收裝置和上位機，其中，所述超聲波發射裝置和超聲波接收裝置均與上位機連接，所述超聲波發射裝置設置于冰面上，用于接收上位機的信號并向冰下發射超聲波，所述超聲波接收裝置設置于冰面上且沿河水流動方向與所述超聲波發射裝置間隔設置，用于接收超聲波回聲信號并發送至所述上位機，所述上位機用于接收所述超聲波接收裝置發送來的超聲波回聲信號，并利用多普勒頻移測速原理計算出冰下河水流速。

優選，所述超聲波發射裝置包括依次連接的方波信號發生模塊、隔離驅動電路、半橋發射電路和發射換能器，所述發射換能器置于冰面上，所述超聲波接收裝置包括依次連接的接收換能器、帶通濾波電路、信號保護電路、信號放大電路、模數轉換器和單片機，所述接收換能器置于冰面上，所述單片機與所述上位機連接。

進一步優選，所述方波信號發生模塊采用4.8MHz晶振和CD4060分頻電路產生300kHz方波，接入CD4069反相器電路，用于輸出兩路互補的PWM方波信號。

進一步優選，所述隔離驅動電路為基于IR2113芯片的隔離驅動電路，用于對所述方波信號發生模塊輸出的方波進行強弱電隔離，并驅動所述半橋發射電路中的場效應管。

進一步優選，所述半橋發射電路采用500V耐壓的N溝道場效應管IRF460作為功率開關器件。

進一步優選，所述帶通濾波電路包括OPA1652運算放大芯片。

進一步優選，所述信號保護電路包括兩個反接的齊納二極管。

進一步優選，所述模數轉換器采用高精度24位數模轉換芯片ADS1256。

進一步優選，所述單片機為STM32F407ZGT6單片機。

進一步優選，所述上位機通過串口通訊模塊與單片機連接。