基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了本发明专利技术公开了一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰装置及方法。由换能器固有频率测试模块、非固有频率换能器激发源、高衰减率窄带通滤波器共同实现。通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率，并选用高衰减率、窄通带的椭圆形滤波器，将超声波风速仪周围环境中的声音、异响、啸叫等外界干扰产生的噪声信号，从实现风速和风向测量的正常信号中剔除。本发明专利技术可有效避免外界噪声对超声波风速仪的影响，保证超声波风速仪的测量精度，使用简单，并可广泛应用在二维超声波风速仪和三维超声波风速仪上。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了本专利技术公开了一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰装置及方法。由换能器固有频率测试模块、非固有频率换能器激发源、高衰减率窄带通滤波器共同实现。通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率，并选用高衰减率、窄通带的椭圆形滤波器，将超声波风速仪周围环境中的声音、异响、啸叫等外界干扰产生的噪声信号，从实现风速和风向测量的正常信号中剔除。本专利技术可有效避免外界噪声对超声波风速仪的影响，保证超声波风速仪的测量精度，使用简单，并可广泛应用在二维超声波风速仪和三维超声波风速仪上。【专利说明】
本专利技术涉及一种用于超声波风速仪抗干扰的装置及方法，尤其是一种，通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率，并选用闻裳减率、窄通带的捕圆形滤波器，将超声波风速仪周围环境中的声首、异响、嘯叫等外界干扰产生的噪声信号从实现风速和风向测量的正常信号中剔除，从而避免外界噪声对超声波风速仪的影响。
技术介绍
风速和风向是气象学中的重要参数，这两个参数的测量精准度直接影响到气象预报的准确性。超声波风速仪是一种新型的风速和风向测量仪器。工作时，超声波风速仪在发射换能器端施加激发信号，使得发射换能器向外发射超声波波束。超声波波束在空气中传播，经过一定时间之后，到达接收换能器端，使得接收换能器产生相应的接收信号。当周围环境的风速较大时，超声波波束的传播速度就快，到达接收换能器的传播时间就短，相反，当周围环境的风速较小时，超声波波束的传播速度就慢，到达接收换能器的传播时间就长。从而，超声波风速仪就可以通过计量激发信号和接收信号之间的传播时间，判定出周围环境的风速和风向。超声波风速仪拥有测量精度高、测量范围宽、低功耗等优势，因此，超声波风速仪广泛应用于电力、钢铁、石化、节能等行业。为实现超声波风速仪的低功耗性能，并且同时保证超声波风速仪测量风速时的信号强度，超声波风速仪往往选择换能器系统(包含发射换能器与接收换能器）的固有频率作为信号激发和信号接收的工作频率，即发射换能器的激发信号频率，以及接收换能器的接收信号频率，都等于换能器系统的固有频率。超声波风速仪工作频率等于换能器系统固有频率的特点，使得超声波风速仪在实际使用过程中，极易受到周围环境中存在的声音、异响、嘯叫等外界噪声的干扰。这是由换能器系统的工作特点所决定的。换能器的作用是实现声音和电信号互相转换，因此换能器在超声波风速仪中是最为关键的传感器。当外界产生噪声时，换能器将对这些噪声有所感应，并将这些噪声转换为电信号。相对于正常的接收信号，由噪声引起的电信号，将使得超声波风速仪误以为超声波波束提前或延后到达接收换能器，导致对超声波波束传播时间的错误计量，从而导致超声波风速仪对风速和风向的测量错误。外界噪声干扰将影响到超声波风速仪的测量精度，严重时甚至导致超声波风速仪无法正常工作。为避免外界噪声干扰对超声波风速仪的测量精度的影响，一般采用低通、高通、带通等滤波器的方式来提高超声波风速仪的抗干扰能力。但是，这些滤波器方式存在着一个固有缺点：滤波器虽然可以过滤掉换能器系统固有频率之外的噪声干扰，但由于正常信号的工作频率和换能器系统固有频率相等，因此为保证正常信号的强度，滤波器也将无法过滤掉频率与换能器固有频率相同的噪声信号。为避免外界噪声的干扰，也可以采用基于数值计算的现代滤波方法，通过各种数学方法和统计规律，估计出频率与换能器固有频率相同的噪声信号的强度，从而将噪声信号从正常信号里面剔除。但是，为实现这种现代滤波方法，通常要求超声波风速仪的控制器有强大的计算能力和数据处理能力，这不但会直接提高控制器的经济成本，还会大幅度提升超声波风速仪的功耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰装置，由换能器固有频率测试模块、非固有频率换能器激发源、高衰减率窄带通滤波器共同实现；本专利技术的另一目的是提供一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰方法，通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率，并选用高衰减率、窄通带的椭圆形滤波器，将超声波风速仪周围环境中的声音、异响、嘯叫等外界干扰产生的噪声信号，从实现风速和风向测量的正常信号中剔除，从而避免外界噪声对超声波风速仪的影响。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置，其特征在于，包括超声波风速仪的第一发射换能器、第二发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器，还包括换能器固有频率测试模块、非固有频率换能器激发源和高衰减率窄带通滤波器，其中，所述换能器固有频率测试模块的信号输出端连接第一发射换能器和第二发射换能器的信号输入端，所述换能器固有频率测试模块的信号输入端连接第一接收换能器和第二接收换能器的信号输出端；所述非固有频率换能器激发源的信号输出端连接第一发射换能器和第二发射换能器的信号输入端；所述高衰减率窄带通滤波器的信号输出端连接第一接收换能器和第二接收换能器的信号输入端。作为补充优化，所述高衰减率窄带通滤波器为椭圆型带通滤波器。作为补充优化，所述换能器固有频率测试模块由依次连接的激发放大模块、控制模块、信号接收模块组成。频率测试模块，即常见的扫频装置。一种利用上述装置基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，通过频率扫描方式得到换能器系统的固有频率；设定超声波风速仪（I)的换能器标称频率为f?，换能器固有频率测试模块信号输出端以频率扫描的方式发射频率变化的正弦信号，所述正弦信号的频率扫描范围为（-5 ) KHz到（+5 ) KHz ;频率扫描时，频率每秒增加0. 5KHz ;在此频率扫描过程中，换能器固有频率测试模块信号接收端同步接收并记录接收第一接收换能器和第二接收换能器输出的信号幅值；待频率扫描过程结束后，换能器固有频率测试模块自动判断接收到的信号幅值最大时所对应的激发频率，并将该激发频率作为换能器系统的固有频率，设为f@，并储存在换能器固有频率测试模块内；步骤二，选择与换能器系统固有频率相邻但不相等的频率作为正常工作的信号频率；所述非固有频率换能器激发源所输出的激发信号为正弦信号，该激发的正弦信号的频率设为f激，f激的频率范围为-I. 5) KHz到（f?固-3. 5) KHz之间；步骤三，利用高衰减率窄通带滤波器剔除与固有频率相等的外界噪声引起的干扰信号；设定高衰减率窄通带滤波器的中心频率为f?，f?=fa，从而可以保证正常工作激发信号的低衰减通过，同时保证外界噪声与固有频率频率相等的干扰信号的高衰减截止。作为补充优化，所述高衰减率窄通带滤波器可以为有源滤波器或无源滤波器。滤波器一般分成两种，有源滤波器和无源滤波器。滤波器工作时，需要接外部电源的，称为有源滤波器；反之，滤波器工作时，无需接外部电源的，称为无源滤波器。一般而言，有源滤波器带负载能力强一点，但无源滤波器使用更方便一点。专利技术优点：(I)本专利技术可有效地消除外界噪声对超声波风速仪正常测量造成的干扰，同时本专利技术的方法成本较低，工作时功耗也较低。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非固有频率激发的超声波风速仪抗干扰的装置，其特征在于，包括超声波风速仪（1）的第一发射换能器（2A）、第二发射换能器（2B）、第一接收换能器（3A）和第二接收换能器（3B），还包括换能器固有频率测试模块（4）、非固有频率换能器激发源（5）和高衰减率窄带通滤波器（6），其中，所述换能器固有频率测试模块（4）的信号输出端连接第一发射换能器（2A）和第二发射换能器（2B）的信号输入端，所述换能器固有频率测试模块（4）的信号输入端连接第一接收换能器（3A）和第二接收换能器（3B）的信号输出端；所述非固有频率换能器激发源（5）的信号输出端连接第一发射换能器（2A）和第二发射换能器（2B）的信号输入端；所述高衰减率窄带通滤波器（6）的信号输出端连接第一接收换能器（3A）和第二接收换能器（3B）的信号输入端。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵小春，孙敏，崔磊，徐立中，
申请(专利权)人：苏州斯威高科信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：