【正文】 。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng) 笛、液哨和氣流旋笛等。一般是用電能和超聲波能量來(lái)相互轉(zhuǎn)換。已發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了許多類(lèi)型的超聲波發(fā)生器，機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。在這種頻率范圍， 超聲波敏感元件成為薄膜狀，與傳統(tǒng)的形狀大相徑庭，它的進(jìn)步對(duì)電子學(xué)的發(fā)展起到了巨大的作用。很早以前人們便掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。電磁波的傳播速度為3*108 m/s,超聲波在 空氣中的傳播速度大約為 340m/s（常溫下），其速度與電磁波相差 5個(gè)等級(jí)，超聲波在相同的傳播媒質(zhì)里傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)不隨頻率變化，波動(dòng)方向與振動(dòng)方向一致。頻率高于 20220HZ的機(jī)械波稱(chēng)為超聲波，頻率低于 20Hz的機(jī)械波稱(chēng)為次聲波。 圖 21 超聲波風(fēng)速測(cè)量的理論分析 超聲波實(shí)際機(jī)械波，在介質(zhì)中傳播是手介質(zhì)影響的，下面介紹超聲波在空氣介質(zhì)中基于單片機(jī)的風(fēng)速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 的傳播特點(diǎn)： 在彈性媒質(zhì)中，如果波源所激起的縱波頻率在 20Hz到 20220Hz之間的話，就能引起人的聽(tīng)覺(jué)。 旋渦發(fā)生體下游兩側(cè)交替發(fā)生的渦列會(huì)在發(fā)生體或檢測(cè)元件上產(chǎn)生交替的橫向推力，因此，測(cè)出由此引起的交變應(yīng)力的頻率也就等于檢測(cè)到了旋渦脫落頻率。當(dāng)管道尺寸和旋渦發(fā)生體尺寸一定 時(shí)， d為常數(shù)， St與雷諾數(shù) Re成函數(shù)關(guān)系。這說(shuō)明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測(cè)機(jī)理所決定的。對(duì)于湍流狀態(tài)，不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的。 因此，只要測(cè)出渦街產(chǎn)生的頻率 f，就可得出風(fēng)速 V： fSrmdV ? (22) 當(dāng) d和 St為定值時(shí)，旋渦產(chǎn)生的頻率，與流體的平均流速 V成正比，利用這一特性制成 了渦街流量計(jì)。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為 f被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為 n旋渦發(fā)生體迎面寬度為 d．表體通徑為 D。如圖 1— 1所示?；趩纹瑱C(jī)的風(fēng)速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 第二章 超聲波風(fēng)速儀測(cè)量原理及其 總體設(shè)計(jì) 超聲波風(fēng)速儀原理 風(fēng)速測(cè)量原理 卡曼渦街 渦街流量計(jì)是基于卡門(mén)渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計(jì)。在硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大處理等措施，擴(kuò)大了測(cè)量的范圍。專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)于 1998年進(jìn)行了修訂，改變?yōu)?JB／ T 92491999．檢定規(guī)程則與其他速度式流量計(jì)的檢定規(guī)程合并為一個(gè)新的檢定規(guī)程 JJGl98— 94。 國(guó)內(nèi)風(fēng)速測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀 我國(guó)超聲波渦街流量計(jì)的生產(chǎn)亦有飛速發(fā)展，到目前為止全國(guó)生產(chǎn)廠已多達(dá)數(shù)十家，這種生產(chǎn)熱潮國(guó)外亦未曾有過(guò)。目前，將超聲波渦街流量計(jì)用于流量測(cè)量 ，需要研究的關(guān)鍵性問(wèn)題：一是抑制流場(chǎng)噪聲的影響，流場(chǎng)的穩(wěn)定性、均勻性不僅對(duì)卡門(mén)渦街的形成和分離有影響，而且對(duì)各種敏感元件的檢測(cè)效果也有直接影響。由于種種原因 ISO把不宜作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的一些文件列為技術(shù)報(bào)告，例如得不到足夠支持率的文件，技術(shù)尚在發(fā)展還不夠成熟或作為參考資料提供等等，看來(lái)超聲波渦街流量計(jì)文件還不足夠成熟，暫時(shí)尚不能作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。 70、80年代超聲波渦街流量計(jì)發(fā)展異常迅速，開(kāi)發(fā)出眾多類(lèi)型阻流體及檢測(cè)法的超聲波渦街流量計(jì)，并大量生產(chǎn)投放市場(chǎng)。 國(guó)外早在 1878年斯特勞哈 (Strouhal)就發(fā)表了關(guān)于流體振動(dòng)頻率與流速關(guān)系的文章，斯特 勞哈數(shù)就是表示旋頻率與阻流體特征尺寸、流速關(guān)系的相似準(zhǔn)則。它也是由測(cè)流速來(lái)反映流量大小的。 課題的任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波風(fēng)速測(cè)量?jī)x，要求測(cè)量范圍在 —— 100m/s，測(cè)量精確度，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。 本設(shè)計(jì)提供基于卡曼渦街原理的超聲波風(fēng)速測(cè)量裝置， 該裝置利用了發(fā)射接收一體化的超聲波傳感器和單片機(jī)微處理器。此外在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，流量測(cè)量?jī)x表也扮演著重要角色。對(duì)流體流量進(jìn)行正確測(cè)量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過(guò)程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、學(xué)研究有著密切的關(guān)系。 SCM AT89C52。 (3) The output signal from fluid properties (temperature, humidity, pressure, 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） VII position, density, viscosity, mineral dust, etc.) sensors in coal mine safety monitoring system has wide application prospects. Key words: wind speed measurement。 St coefficient (Reynolds number in the range of 200 to 50 000, St is a constant). Ultrasonic vortex wind speed sensor and pared to other forms of wind speed sensor has the following advantages: (1) no moving parts, no mechanical wear, stable performance, long life。 v flow velocity, m / s。 S transducer for the receiver to receive sound waves modulated by the vortex. When no vortex, the receiving transducer receives the amplitude S wave signal。s poles plus pulse signal, the frequency is equal to the natural oscillation frequency of the piezoelectric chip, the piezoelectric resonance occurs, and promote the vibration of ultrasonic resonance board, then it is an ultrasonic generator。此類(lèi)傳感器在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。 基本計(jì)算公式為： vf Std? f—— 旋渦頻率， Hz ； v—— 氣流速度， m／ s ； d—— 旋渦發(fā)生體直徑， mm； St—— 斯特拉哈爾系數(shù) (雷諾數(shù)在 200～ 50 000 范圍內(nèi)， St 為常數(shù) )。旋渦通過(guò)聲束后 ，接收到的信號(hào)又恢復(fù)常態(tài)。 F、 S 為一對(duì)諧振頻率相同的超聲波換能器， F 為發(fā)射換能器，發(fā)射 145 kHz 等幅超聲波； S 為接收換能器，接收被旋渦調(diào)制了的聲波。我們知道匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波 風(fēng)速測(cè)量 儀的程序要求精細(xì)計(jì)算（ 單位時(shí)間內(nèi)的整形完成的 超聲波矩形方波個(gè)數(shù) 時(shí)），所以控制程序采用匯編語(yǔ)言混合編程。渦街信號(hào)在電壓比較器和 RC濾波電路構(gòu)成的整形濾波環(huán)節(jié)中與輸入的基準(zhǔn)電壓 1/2Vcc作比較，被整形為與風(fēng)速成正比的矩形波，信號(hào)周期隨檢波信號(hào)變化而變化。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志T 和 R。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在下文中有介紹 ，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。上位電阻 R6 一方面可以提高 三極管的放大 輸出能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻 尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 超聲波發(fā)射電路 發(fā)射電路主要由 555 定時(shí)器， 74LS123 構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、放大環(huán)節(jié)， 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成， LM555 多諧振蕩器端口 3 輸出的 145kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng) 觸發(fā)電路，放大電路 后送到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。 系統(tǒng)采用 555 定時(shí)器產(chǎn)生 145kHz 的方波信號(hào)，利用 計(jì)數(shù) T1 口監(jiān)測(cè) 超聲波接收電路 整形濾波后 輸出的返回信號(hào)。單片機(jī)采用 89S52 或其兼容系列。設(shè)計(jì)完成后能做到 ， LED 數(shù)碼顯示清晰穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò) 。 本設(shè)計(jì) 采用壓電式超聲波換能器，使用 AT89S52 單片機(jī)作為控制器，完成了超聲波風(fēng)速測(cè)量 儀的軟硬件設(shè)計(jì)。這幾種原理的風(fēng)速儀測(cè)量精度低、范圍小、測(cè)量周期長(zhǎng)、持續(xù)工作時(shí)間短，且測(cè)量結(jié)果易受外部環(huán)境因素的影響。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于 AT89S52 單片機(jī)的風(fēng)速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 綜述 風(fēng)，特別是井下安全生產(chǎn)中具有重要參考意義，作為氣象環(huán)境中最活躍的因素，對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝敗，武器性能的發(fā)揮有著舉足輕重的影響風(fēng)能的利用，也要求人們對(duì)風(fēng)速資源進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。當(dāng)前，風(fēng)速測(cè)量的儀器主要有熱線式、熱膜式、以及風(fēng)杯式三種。因此不能滿足高效、快速、準(zhǔn)確的現(xiàn)代化軍事和長(zhǎng)時(shí)間工作、智能化數(shù)據(jù)處理的風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需求。采用匯編語(yǔ)言編程的方法，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的 計(jì)算 和顯示。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、 鍵盤(pán)，溫度補(bǔ)償電路， 超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。采用 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共 陰極 LED 數(shù)碼管，段碼用 電阻器 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。輸出端采用 加入耦合電容 C4，用以提高 發(fā)射 驅(qū)動(dòng)能力。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的 。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，基于單片機(jī)的風(fēng)速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) II 這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。 超聲波檢測(cè)接收電路 壓電式超聲波換能器 S將收到的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng) R R R C C6和 1/4 LM324組成的選頻放大電路放大后，送檢波電路 Dl、 C R10進(jìn)行包絡(luò)檢波，檢出渦街信號(hào)。 超聲波 風(fēng)速測(cè)量 儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序 ， 超聲波接收程序及顯示 ，鍵盤(pán) 子程序 ，溫度補(bǔ)償子程序 組成。 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) 超聲波風(fēng)速傳感器是利用穿過(guò)空氣的超聲波被旋渦調(diào)制，從已調(diào)波中檢出旋渦頻率來(lái)測(cè)定風(fēng)速的。 當(dāng)無(wú)旋渦時(shí)，接收換能器 S 接收到等幅波信號(hào)；有旋渦時(shí)，由于旋渦內(nèi)部的壓力梯度和旋渦的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了超聲波的折射、反射和吸收效應(yīng)，使接收到的信號(hào)幅度減小。因此，超聲波幅度變化頻率與旋渦的頻率一致，從接收換能器上檢測(cè)出超聲波束幅度變化次數(shù)即可測(cè)得風(fēng)速值。 超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器與其它形式的風(fēng)速傳感器相比具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)機(jī)械磨損，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)； 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III (2)輸出本身就是與風(fēng)速成線性關(guān)系的 脈沖頻率信號(hào)，沒(méi)有零點(diǎn)漂移，且敏感元件靈敏度變化不會(huì)直接影響輸出，測(cè)量精度高； (3)輸出信號(hào)不受流體特性 (溫度、濕度、壓力、成份、密度、粘度、礦塵等 )影響。 關(guān)鍵詞 ：風(fēng)速測(cè)量；卡曼渦街；單片機(jī) AT89C52；溫度補(bǔ)償基于單片機(jī)的風(fēng)速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) IV The Design of Ultrasonic Wind Meter Based on SCM Summary: Wind, especially mine safety has important reference value, as the meteorological environment, the most active factor, the victory of the war, weapons performance to play a decisive effect on the use of wind energy, wind resources also requires that there be lengthyaccurate present, the wind speed measurement apparatus main hot wire, hotfilm, and the wind cup of principle of wind speed measured several low precision, range of small, measuring cycle is long, continuous working hours, and the measurement results vulnerable to external environmental not meet the efficient, rapid and accurate modern military and long working hours, intelligent data processing, the demand for wind monitoring. This design uses piezoelectric ultrasonic transducer, using AT89S52