1、收稿日期:2022-04-08作者简介:褚卫华(1968-),男,山西翼城人,博士,研究员,主要从事风洞测控技术方向的研究。风洞超声波风速风向三维测量装置设计与实现褚卫华,顾正华(中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所,四川 绵阳 621000)摘 要:超声波在顺逆风中传播速度不同,在距离一定的条件下,风在顺逆向传播存在时差,将超声波传感器按一定阵列布置,基于空间向量分析算法可以设计一种超声波三维风速风向测量装置。详细介绍了风速风向三维测量装置正三棱锥体传感器布置方案,阐述了硬件电路的总体框架图和各外围接口电路的设计,说明了超声波风速风向测量装置算法软件编程实现和计算控制流程。通过
2、对装置主要功能模块的测试和实际风洞试验证明,超声波三维风速风向测量装置能够实时测量风速的大小和方向,满足风洞试验测试要求。关键词:时差法;超声波风速仪;风速测量;风速;风向 中图分类号:TP216 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.036Development of Ultrasonic Three-Dimensional Wind Speed and Direction Measuring Device For Wind TunnelCHU Weihua,GU Zhenghua(Facility Design and Instrumen
3、t Institute,China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang Sichuan 621000,China)Abstract:The ultrasonic wave propagates at different velocities in the opposite wind,and the wind propagates in the op-posite direction at a certain distance.The ultrasonic sensors are arranged in a certain
4、array,and an ultrasonic three-dimen-sional wind speed and direction measurement device based on spatial vector analysis is developed.d.In this paper,the layout scheme of the normal triangular pyramid sensor of the measuring device is introduced in detail,the overall frame diagram of the hardware cir
5、cuit and the design of each peripheral interface circuit are described,and the control and calculation flow of the ultrasonic wind speed and direction measurement software are explained.Through the test of the main functional modules of the device and the actual wind tunnel test of the device,it is
6、proved that the ultrasonic three-dimensional wind speed and direction measuring device can measure the speed and direction of wind in real time and meet the requirements of wind tunnel test.Key words:time difference method;ultrasonic anemometer;wind speed measurement;wnd speed;wind direction0 引言在风洞吹
7、风试验过程中,风速风向是一个重要的控制和测量参数,传统测试方法是采用皮托管、方向场排架和压力传感器测量出流场动压值,通过伯努利方程算出管道内流量和流速。但在极低风速情况下,这种方法对压力传感器精度提出了现代工业水平无法实现的要求,这种情况下该方法实现风洞流场风速和风向精确测量已经不可能。超声波测速测向装置是一种利用超声波发射接收换能器,通过发射接收时间差来计算来流速度的仪器1,这种测速装置能够实现包含极低风速在内的范围很广的风速测量,并且体积小、精度高,是当前风速测试方面的研究热点2。超声波在空气中传播时,在顺风和逆风方向会有一个传播速度差。如果在同一个平面两垂直方向各布置一对相互收发的超声波
8、传感器,测量超声波在同一个通道顺逆风状态下的传输时间差,可以通过合成计算得到该平面二维风速和风向,这就是二维风速仪的测试原理。同样,在三维风场按一定方式布置三对超声波收发传感器,就可以完成流场三维风速风向的测量。目前超声波风速风向测试技术在国外已经得到广泛应用,并有很多成熟产品上市,如美国 R.M.YOUNG、英国 Gill 等公司生产的 HS-100、WindMaster HS 三维超声波风速仪和 WindSonic、WindObserver 二维超声风速测量仪等3。国内对超声波测风技术研究着手比较晚,二十世纪九十年代开始有超声波测量风速风向技术研究文献出现,特别是利用超声波对一维或二维风速
9、的理论研究成果较多,并相继有二维和三维风速风向测试设备面世,但同国外同类产品相比,在性能指标上存在显著差距,特别是对三维风速测量的研究较少,在风洞试验中应用成果几乎没有。针对风洞试验测试需要,设计了一套超声波风速风向三维测量装置,其主要实现指标如下:测量范围:风速:010 m/s,风向:0360;测量精度:风速:0.1 m/s,风向:0.1。63风洞超声波风速风向三维测量装置设计与实现 褚卫华,等1超声波风速风向三维测量装置原理与方案设计超声波在空气中传播速度受风速影响,如果在一个平面两垂直方向各布置一对超声波发射接收换能器,测得超声波在两垂直方向的顺风和逆风传播时差,则可以计算出该平面内测试
10、点处风速和风向,该风速为一个矢量。如果将超声波传感器按一定阵列布置,则可利用矢量合成得到实际三维风速风向。为实现风洞试验过程中风速风向测试,超声波风速风向三维测量装置总体结构设计如图1 所示,测速装置由4 对芯棒、支撑圆盘和支架组成,每对芯棒安装于一条直线上,通过螺纹固定,芯棒前端安装有超声波发射与接收换能器,形成一个风速测量通道。四对芯棒呈正三棱锥分布,位于正三棱锥棱线上的三个通道分别为通道 1、通道 2、通道 3,位于正三棱锥中心线上的为通道 4。其中,通道 1、通道 2、通道 3在风洞坐标系中的布局见图 2,设待测风速为?v=vx,vy,vz,当通道 1、通道 2、通道 3 超声波收发通
11、路根据时差法测得各自通道风速 v1、v2、v3后,通过矢量合成算法求得风洞流场空间中的实际风速和风向为:vx=2 33(|v2|-|v3|)(1)vy=2 39(|v1|+|v2|+|v3|)(2)vz=23(2|v1|-|v2|-|v3|)(3)风速:|v|=v2x+v2y+v2z(4)风向:=arctanvyvx=arctan|v1|+|v2|+|v3|3(|v2|-|v3|)(5)图 1 风洞超声波风速风向三维测量装置结构图超声波风速风向三维测量装置的核心系统主要包括硬件电路和软件两部分。硬件电路部分主要实现超声波换能器声源激励、通道切换、回波信号采集、采集数据存储,并通过数据总线传输计
12、算结果。超声波阵列风速测量仪电路系统需要采集的信号包括 8 路超声波通道回波信号、温湿度数据,输出控制信号包括 8 路超声波通道激励信号、温湿度测量启动信号,需要存储的数据包括 8 路超声波通道回波数据、8 路通道渡越时间、4通道渡越时差、温湿度值和风速风向数据。超声波阵列风速测量装置外输出模拟信号为 4 mA20 mA 电流,软件系统主要完成硬件系统启动初始化、流程控制、风速计算、数据处理分析等功能。图 2 超声波收发通道在风洞坐标系布局图2超声波风速风向三维测量装置硬件系统设计与实现超声波风速风向三维测量装置硬件电路系统包括总控模块、超声波接收信号调理模块、超声波发射驱动模块和控制电源配置
13、模块,整体硬件系统框图如图 3 所示。图 3 风速测量装置硬件系统设计总框图总控模块整体电路主要有数字信号处理器 DSP、可编程阵列逻辑 FPGA 和模数转换器 ADC 构成,DSP 负责整个风速风向三维测量装置的信号发射接收流程控制、数据分析与处理以及与外部设备的数据通信等。FPGA在风速风向三维测量装置中的主要功能是产生方波信号、实现 ADC 采集、产生通道选择码、缓存回波数据、对装置工作环境数据温湿度进行测试等。ADC 主要功能是对回波模拟信号进行数字化转换。2.1 DSP 与其外设电路DSP 作为超声波风速风向三维测量装置的核心控制和计算部分,芯片选用了速度快、精度和集成度高的TI 公
14、司生产的 32 位定点 DSP 处理芯片 TMS320F2812,芯片基于 TI 公司的 C28x 核心,其最高主频可达 150 MHz,DSP 与周围设备配置了如下接口:485 通信接口 实现与上位机通信,485 芯片选用 TI公司的 SN65HVD11D 的 3.3 V RS485 收发器,在 RS485的 AB 线两端配置瞬态电压抑制二极管设计防浪涌,具73自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)体设计电路见图 4 所示。图 4 RS485 通信接口电路电流环输出 4 mA20 mA 模拟信号输出部分配置了 TI 公司的 DAC8750,芯片通信选用具有 CRC 校验、
15、输出稳定、芯片面积小等优点的 SPI 接口,由于风速风向三维测量装置需要两路通信,但 2812 仅有一个 SPI 接口,不能满足使用要求,另一个 SPI 接口采用 McBSP 接口重新配置,电路设计图如图 5 所示。图 5 4 mA20 mA 电流环输出电路通信接口通过外扩地址数据总线、片选信号线、控制信号线、GPIO 口和中断接口实现与 FPGA 通信和数据传输。外扩 SRAM 存储芯片选用 ISSI 公司高速度、低功耗的 IS64WV51216BLL 系列 SRAM 芯片,具有 512 kB 的存储空间,完全满足仪器存储需求。2.2 FPGA 与其外设电路设计超声波风速风向三维测量装置的可
16、编程阵列逻辑器件选用 XILINX 公司生产的 XC7S25 芯片,DSP 发送命令给 XC7S25 芯片后,XC7S25 芯片按照命令执行相应逻辑控制,主要实现的功能包括实时与 DSP 处理器通信、数据采集控制、设置程控增益、发射接收通道选择等。DSP 通过向外部空间写数据或读数据的方式以及外部中断模式、GPIO 等与 FPGA 通信。FPGA 通过控制 ADC的采样时钟和 ADC 输出使能有效来控制 ADC 采集。在FPGA 外设电路设计中,专门设计程控放大器对回波增益放大从而满足 ADC 数据输入采集要求。两级程控LTC6911-1 共需 6 位控制信号线。通道选择芯片在发射驱动板上使用升压芯片 SN74LV4T125 将主控板电压从 3.3 V 电平升压至 5 V,方波驱动信号升压至 5 V。2.3 模数转换器 ADC模数转换器 ADC 选择 TI 公司的单通道 12 位差分驱动芯片 ADS807E,最大采样率为 53 Mb/s,输入电压范围为 5 Vpp,满足回波信号采集需求,数据输出接口为 12位并行数据接口,其电路图如图 6 所示。图 6 风速风向三维测量装置 ADC 电