二維側視型聲學多普勒流速儀的設計
2023年電子技術應用第8期
廖建華，范寒柏，王健，林放，蘇金峰
（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071000）
摘要： 為了獲得淺水或斷面處的二維流速分布，擴展超聲波測量的應用范圍，設計了二維側視型聲學多普勒流速儀。采用5 MHz高頻超聲波進行測量，并設計了獨特的探頭結構，避免對測流場產生干擾。基于多普勒效應的基本原理，采用復自相關算法進行頻率估計，解算出超聲波換能器的徑向流速，通過變換矩陣得到二維流速。實測結果表明，所設計的二維側視型聲學多普勒流速儀能有效測量出采樣體的二維流速，測量標準差分別為0.028 m/s和0.009 m/s，具有一定的實用價值。
中圖分類號：TP212；TB553 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233845
中文引用格式： 廖建華，范寒柏，王健，等. 二維側視型聲學多普勒流速儀的設計[J]. 電子技術應用，2023，49(8)：65-69.
英文引用格式： Liao Jianhua，Fan Hanbai，Wang Jian，et al. Design of two-dimensional side-looking acoustic Doppler velocimeter[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(8)：65-69.
中文引用格式： 廖建華，范寒柏，王健，等. 二維側視型聲學多普勒流速儀的設計[J]. 電子技術應用，2023，49(8)：65-69.
英文引用格式： Liao Jianhua，Fan Hanbai，Wang Jian，et al. Design of two-dimensional side-looking acoustic Doppler velocimeter[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(8)：65-69.
Design of two-dimensional side-looking acoustic Doppler velocimeter
Liao Jianhua，Fan Hanbai，Wang Jian，Lin Fang，Su Jinfeng
(College of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，China)
Abstract： To obtain the two-dimensional velocity distribution at the shallow or cross-section of the water and expand the application range of ultrasonic measurement, a two-dimensional side-looking acoustic Doppler velocimeter was designed. A 5 MHz high-frequency ultrasonic wave was used for measurement, and a unique probe structure was designed to avoid interference to the measuring flow field. Based on the basic principle of the Doppler effect, the complex autocorrelation algorithm was used to estimate the frequency, and the radial velocity of ultrasonic transducer was calculated. The two-dimensional velocity was obtained through the transformation matrix. The experimental results show that the designed two-dimensional side-looking acoustic Doppler velocimeter can effectively measure the two-dimensional velocity of the sample with the standard deviation of 0.047 m/s and 0.009 m/s respectively, which has certain practical value.
Key words : Doppler velocimeter；two-dimensional velocity；complex autocorrelation
0 引言
流速是基本的水文參數，對流速的精確測量在水體研究、工業監測、環境保護、洪澇預警等[1]方面具有重要意義。從早期使用機械結構進行測量的轉子式流速儀，再到使用超聲波進行測量的流速儀，以及采用激光、電磁、雷達等基本原理進行測量的流速儀[2-4]，流速測量技術逐漸向多元化、垂直化發展，以滿足不同應用場景的測量需求。
聲學多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)能提供水體的瞬時速度參數，具有速度快、精度高及維度測量的優點[5]，是研究湍流特性、水動力學建模的關鍵儀器。當前國內外市場主要由國外公司所壟斷，如美國Sontek公司的Micro ADV及FlowTracker2，以及Nortek公司的Vectrino ADV，而國內主要是針對ADV應用方面的研究，缺乏ADV設備的研究設計，也缺乏相應的文獻資料，實現ADV設備的國產化符合當前我國科技創新的目標。ADV可提供水體的二維、三維流速數據[6]，其中二維型ADV可測量單點的二維流速，可用于研究沿岸沖刷模型、斷面流速分布等。
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作者信息：
廖建華，范寒柏，王健，林放，蘇金峰
（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071000）
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