基于双频多普勒法的超声波流量测试

　　0　引言

　　车辆的正常运行依赖于动力舱系统功率分配的合理匹配与设计,而若要达到这一目标,必须计算散热器在各种工况下的散热量,即要对冷却系统的介质流量进行准确测量。但由于车辆内部空间比较狭小,而且冷却系统往往处于高压(压力可达3 MPa)、高温(温度最高可到150℃)和较强的振动环境之下,因此准确的流量测量相当困难。

　　超声波多普勒流量计通过检测超声波在流体传播过程中的多普勒频移来实现流量测量,它具有体积小,可实现非接触测量,测量结果不受温度、压力影响的优点。但超声波多普勒流量传感器的缺点是易受振动的影响,测量精度相对偏低,因此需对其进行进一步的改进,以满足测量精度的要求[1]。本文提出一种采用双频法和数字信号处理技术相结合的办法,可以有效地消除振动对超声波多普勒流量计的影响,提高其测量精度。

　　1　双频多普勒法的基本原理

　　双频多普勒法基本原理如图1所示,发射换能器同时发射两个已知固定频率的独立超声波信号,超声波信号传送至流体时会被流体内的固体颗粒或气泡散射,产生多普勒效应,接收换能器接收到的信号同时包含了多普勒和噪声信号,两束多普勒信号与源频率有固定的频差,而在现场产生的噪声信号没有频差。采集到的信号经FFT变化后求其功率谱,然后其中一束信号功率谱被延伸,使同一个频率范围的信号重叠而噪声信号就被错开了。一旦多普勒信号被重叠,两束信号被相乘在一起,结果使多普勒信号被平方放大,而噪声信号就被衰减,这使多普勒信号更加容易被识别和跟踪。最后利用频移峰值逼近法求其多普勒频移值,即可求得流体的流速。

　　2　理论模型

　　双频法的理论模型如图2所示[2]。

　　设有效信号为x(t)(代表频移信息),载波分别为cosΩ1t,cosΩ2t(代表两路超声波信号),加性白噪声为n(t)。信号x(t)经过载波cosΩ1t,cosΩ2t分别调制后通过存有加性白噪声n(t)的信道,然后信号经过带通滤波器、解调器、低通滤波器输出。

　　设信号x(t)是带宽为2Ω0的窄带信号,其功率谱X(jΩ),n(t)的功率谱P(jΩ),h1(t),h2(t)是理想带通滤波器,中心频率分别为Ω1和Ω2,h(t)为理想的低通滤波器。

　　信号x(t)经过调制后,通过信道被白噪声n(t)污染。图1中A,B两点的波形表达式为:

　　A点:y1(t) = x(t)cosΩ1t+x(t)cosΩ2t+n(t)

　　B点: y2(t)=x(t)cosΩ2t+x(t)cosΩ1t+n(t)

　　两路信号分别通过理想带通滤波器后送入解调器,然后通过理想的低通滤波器,得到图2中G,H两点处的信号频谱为: