一种烟丝微波速度计的设计与实现

　　0 引言

　　目前，卷烟厂所使用的卷烟机均采用管道风送烟丝进料，这种进料方式的卷烟机输送烟丝的过程是全封闭的，难以用普通接触式计量，同时现有的传感器技术只能测量烟丝输送过程中的空气流动的速度，不能直接测量烟丝运动速度。烟丝在管道中的速度影响其造碎率，用风速估计烟丝的速度是不准确的。因此卷烟厂所使用的管道风送烟丝进料系统不能实时的对烟丝速度进行控制，在一定程度上增加了自身的生产成本，降低了成品率。在此，需要一种精确的流量计测量生产中烟丝的消耗，优化产品的生产。

　　1 多普勒频率

　　1. 1 多普勒频率与运动速度理论

　　该装置采用多普勒效应，以连续波作为波源，发射微波信号，接收由活动目标反射回来的信号。已知波源频率，测量出多普勒频率就可以计算出目标的运动速度。

　　设波源发射信号为:

　　式( 1) 中: U 是发射信号振幅，ω 是发射信号的角频率。若目标是固定不动的，那么该目标反射到波源的回波信号为:

　　式( 2) 中: K 为比例常数。

　　式( 3) 中: R0是目标与波源距离，C 是电磁波速度，它等于光速。回波信号频率不变。

　　当目标以速度 v 相对波源作径向运动时，在时间 t 时刻目标距波源的距离为:

　　式( 4) 中目标向波源运动取负号，背离波源运动取正号。由运动目标反射的回波具有时延，tr是电磁波往返波源与目标所需的时间，反射回波:

　　式( 5) 说明，在 t 时刻接收到的波形 Sr( t) 上的某点，是在 t - tr时刻发射的，由于波源目标的相对速度 v 远小于电磁波速度 C，所以时延 tr可以近似写为:

　　将式( 6) 代入式( 2) ，得:

　　由式( 7) 可知回波信号频率变为。接收信号频率与发射信号频率之差为:

　　式中: fd就是多普勒频率。波源发射信号频率 f 一定时，fd与目标径向速度v 成正比。当目标向波源运动时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率; 而当目标背离波源运动时，多普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。由已知的发射信号频率 f，测量出多普勒频率 fd，就可以由式( 8) 计算出目标的运动速度 v。

　　1. 2 多普勒频率与实际速度

　　流量计要求微波发射接收探头的安装角度为45 度，取 45 度角能使得微波具有较大的透射能量与较高的信噪比[1]。微波发射与接收探头安装如图 1 所示。