基于DDS技术的矿用风速传感器设计.pdf

第 4 2卷 第 7 期 2 0 1 6年 7月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t omat i o n Vo1 ． 4 2 NO ． 7 J u I ．2 O 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 7 0 0 1 2 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 0 4 苗可彬． 基于 D DS技术 的矿用风速传感器设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 l 2 - 1 5 ． 基于 DD S技术的矿用风速传感器设计 苗 可 彬 。 1 ． 煤 炭科 学技 术研 究 院有 限公 司 ，北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 煤炭 资 源高效 开 采与 洁净 利用 国家 重点 实验 室 ， 北 京1 0 0 0 1 3 ； 3 ． 北京 市煤 矿安 全工 程技 术研 究 中心 ， 北 京1 0 0 0 1 3 摘 要 针对 现有 煤矿 井 下用风速 传 感 器工 况条件 差 、 性能 易下降 的 问题 ， 设计 了一 种基 于 D DS技 术 的矿 用风速 传 感 器。该传 感 器采 用 D DS技 术设 计 了具 有 高稳定 性谐 振频 率 的超 声波振 荡电路 ， 利 用卡 曼涡街 原 理 实现 了风速值 实时 、 精 准的 测量 。试验 结 果表 明 ， 该 风速 传 感器 可靠性 高 ， 测量 误差 较 小 ， 抗 干扰 性强 。 关键 词 矿 用风 速传 感 器 ； D DS ；卡 曼涡街 ； 抗 干扰 中图分 类号 T D7 2 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 - 0 7 0 5 1 4 5 6 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP． 2 0 1 6 0 7 0 5 ． 1 4 5 6 ． 0 0 4 ． h t ml De s i g n o f mi ne us e d wi n d s p e e d s e n s o r b a s e d o n DDS t e c hn o l o gy M I AO K e bi n ， ， 。 1 ． Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3，Ch i n a ；2 ． Na t i o n a l Ke y La b o r a t o r y o f Hi g h Ef f i c i e n t a n d Cl e a n Ut i l i z a t i o n o f Co a l Re s o u r c e s ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3，Ch i n a； 3 ． Be i j i n g C o a l Mi n e S a f e t y En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h Ce n t e r ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m t h a t pe r f o r m a n c e of m i ne u s e d wi nd s p e e d s e ns or i s e a s y t o f a l l b e c a us e o f po o r wor ki ng c on di t i on s，a ki nd o f mi n e u s e d wi nd s p e e d s e ns o r b a s e d o n DDS t e c hn ol o g y wa s d e s i gn e d． Th e s e ns o r a d op t s DDS t e c hno l o gy t o d e s i gn u l t r a s on i c o s c i l l a t i on c i r c ui t wi t h hi g h s t a bi l i t y r e s o na n c e f r e q ue nc y，a nd us e s Ka r m a n vo r t e x s t r e e t pr i n c i p l e t o a c hi e v e r e a l t i me，a c c ur a t e m e a s u r i ng o f wi n d s pe e d v a l ue．The e x pe r i m e n t r e s u l t s ho ws r e l i a bi l i t y o f t he s e ns o r i s hi g h，m e a s u r e m e nt e r r o r i s s ma l l e r ， a nd a n t i i n t e r f e r e n c e i s s t r o n g． Ke y wo r ds mi ne us e d wi n d s p e e d s e n s o r；DDS；Ka r ma n vo r t e x s t r e e t ；a n t i i nt e r f e r e nc e 0 引言 在 煤 矿 井下 安 全 监 控 系统 中 ， 风 速 是 重要 的检 测 参数 之一 。风 速传 感器 是 实现矿 井通 风 的重要 组 成 部分 。矿 用风 速 传 感 器按 其 原 理 可 分 为 叶 轮 式 、 热 线式 和超 声波式 风 速传 感器 。叶轮式 和热 线式 风 速传感器易受井下水蒸汽和煤尘 的影响 ， 可靠性不 够 高 ， 相 比而言超 声 波式风 速传 感器 具 有易维 护 、 可 靠性较高的优势【 。 对 于 超 声 波式 风 速 传感 器 来 说 ， 其 性 能可 靠 性 主要 由超声 波振 荡 电路 谐 振 频 率 决 定 。 目前 ， 超 声 波 振荡 电路 大部 分 为 自激振 荡 电路 ， 谐 振 频 率 的调 整 通过 改变 阻 容值 实 现 。在井 下 工 况 较 差 的 地 方 ， 湿度较高 ， 传感器长 时间工作后其振荡电路谐振频 率会发生变化 ， 从而导致传感器的性能大大下降； 另 外 ， 超声 波 振荡 电路 一般 都有 一个 最佳 频率 工作 点 ， 传 统 的超声 波振 荡 电路都 是靠 手工 调 整频 率来 寻找 最 佳工 作频 率点 ， 严 重影 响 了产 品的生 产效 率 ， 造成 生 产瓶 颈 。 为此 ， 笔者设 计 了一 种基 于 D DS Di r e c t Di g i t a l S y n t h e s i s ， 直接数字频率合 成 技术 的矿 用超声波 旋涡式风速传感器。该传感器利用卡曼涡街原理测 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 3 2 9 ； 修 回E t 期 2 0 l 6 一 O 6 一 l 7 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家国际科技合作 孥项项 目 2 0 l 3 D F R1 0 5 3 0 。 作者简介 苗可彬 1 9 8 2 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， I 程 师， 硕士， 现 主要从事煤矿安全技术研究T作 ， E ma i l mi a o k e b i n c c r i s e ． c n 。 2 O 1 6年 第 7期 苗 可彬 基 于 D D S技 术 的矿 用风速 传感 器设 计 1 3 量 风速 值 ， 在超声 波 振荡 电路 的设 计 上采 用 DD S技 术 ， 保证 了超声 波 振 荡 电路 谐 振 频 率 的稳 定 性 ， 实 现 了风速 值 实时 、 高可 靠性 测 量 。 1风 速传 感器 工 作原 理 风 速 传感 器工 作原 理如 图 1所示 。根据 卡曼 涡 街 原理 ， 在 流体 中插人 一个 非流 线阻 力体 ， 当雷诺 系 数 在一 定 范 围内 ， 在 阻力 体 下 游 将 产 生 2列 交 替 出 现 的旋 涡 列 ， 称 为 卡曼 涡街 ， 其旋 涡频 率 与流体 的流 速成正 比 ] 。传感器 的超声波振荡器产生等幅超声 波信号 ， 该信号加到发射换能器上 ， 并 向空气中发射 超声波 。此时， 接收换能器接 收到被旋涡调制 的超 声 波信 号 ， 该超 声 波 信 号 经处 理 后 变 成 对 应 的脉 冲 信 号 ， 经过 归一 化 处 理及 线 性 补 偿 后 即可 得 到 实 际 风速值 。 匿 罾 图 1 风 速 传 感 器 工 作 原 理 1 ． 1 超 声 波振 荡模块 超 声 波振 荡模 块采 用 D DS技 术设 计 ， 主要 由相 位 累加器 、 RO M 波形 存储 器 、 D ／ A 数 模 转换 器 与 低 通滤 波器 等构 成 ， 模 块 工 作 原 理 如 图 2所 示 。单 片 机 系统 时钟 频率是 模块 各 环 节 的 同步 时 钟 ， 由外 界 高稳定 性 的 晶体振 荡器 发 出 ， 频 率 控 制字 K 控 制 模 块 输 出 电功率 信号 的频 率 。 频 率 ；⋯ 一砸 菜 ⋯ 一 ．．． ．．． ．．．．． ．．． ．．．．．．． ．．．．． ．．．．． ．．．．． ．．．．． ．．． 图 2 超声 波振 荡模 块工作原理 超 声 波振 荡模 块 工 作 时 ， 相 位 累加 器 在 时 钟 频 率 的控制 下依 次 获 得各 个 幅值 采 样 值 ， 幅值 采 样 值 经 R OM 波形存 储 器 和 D／ A 数 模 转 换 器 输 出 梯 形 波 。梯形 波 经低通 滤 波器 滤波 后就 是一 个完 整 的正 弦波 。如 果 相位 累加 器 的位数 为 N， 单 片机 系 统 时 钟频 率 为 厂 ， 频 率 控 制 字 为 K， 则 模 块 的 输 出 频 率为 厂 一等 1 模块 输 出频 率分 辨率 为 ，一 g c 2 超声 波振 荡 电 路 如 图 3所 示 ， 电路 的单 片机 选 用 C8 O 5 1 F0 4 o， DDS芯 片 选 用 AD9 8 5 0。CI KI N 为 输入参 考 频率 ， WC L K为 时钟 信 号 ， DO D7为数 据 端 口。通 过 C 8 0 5 1 F 0 4 0控 制 AD 9 8 5 0可 以得 到 稳 定 的正 弦波输 出 。 c 图 3超 声 波 振 荡 电 路 具 体 设 计 参 数 N 一 3 2 ， K 一 5 5 1 4 8 ， f 一 1 1 ． 0 5 9 2 MHz 。 由式 1 可 得 到 输 出 频 率 为 1 4 2 k Hz 。由 式 2 可 得 最 小 输 出 频 率 约 为 2 ． 6 MHz ， 基本可认为输出频率连续可调。 1 ． 2信 号 处 理 模 块 无 风状 态下 ， 接 收换 能器 接收 到 的信号 为 S S n s i n 2 丌 f t 3 有 风 状态 下 ， 接 收换 能 器 接 收 到 被旋 涡 调 制 后 的信 号为 S S o E 1 Ms i n 2 7 c _厂 M f J s i n 2 n ’f t 4 式中 S 。 为信号幅值 ； f为超声波频率 ； M 为调制深 度 ； f M为旋 涡频率 。 实际应用中， 接收换能器检测到 的信号如 图 4 所示 。从图 4可以看出， 有风时 ， 超声波信号被调制 为非标 准 正 弦信号 。 测 量 时 ， 需 要对 调制 信号 进行解 调 ， 得 到旋 涡频 率 厂 M， 从 而 得 到风 速 值 。解 调 电路 由选 频 放 大 、 检 波 、 低 频 放 大 、 整 形 电路 组 成 ， 其 核 心 为检 波 电 路 。 检波 电路 如 图 5所 示 ， 其 中 C 。 为耦 合 电容 ， 用 以滤 除直流信号； D 为检波二极管 ， 用来将调制信号变 为半 波信 号 ， 留下包 络信 号 上 半 部 分 的 高频 载 波 信 号 ； C 。 为 高频 滤 波 电容 ， 用 来 去 掉 检 波 二 极 管 输 出 信号中的高频载波信号 ； R 。 为负载电阻， 检波二极 管导通时的电流回路由 R 。 构成， 在 R 。 上的压 降就 是检 波 电路 的输 出电压 。 为方 便单 片机 处 理 ， 检 波 后 信 号 一般 通 过 低 频 放 大 和 整形 电路处 理 变 为脉 冲信 号 ， 实 际应 用 中风 第 4 2卷 第 7期 2 0 l 6年 7月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 7 J u L 2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 7 0 0 1 5 -0 5 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 0 5 姚 宇 ， 宋 建 成 ， 韩 毅 ， 等． 基 于 双循 环 测 量 隔离 管 路 的离 心 泵 加 速 寿命 试 验 平 台设 计 E J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 1 5 1 9． 基于双循环测量隔离管路的离心泵 加速寿命试验平台设计 姚 宇 ， 宋建成 ， 韩毅 ， 席庆祥 ， 李 建华 1 ． 太原理 工 大学 煤 矿 电气设 备 与智 能控 制 山西省重 点 实验 室 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 山西 煤矿 机械 制造 有 限责任 公 司 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 摘 要 针 对 离心 泵失效 过程 复 杂 、 故障数 据库 不健 全 的 问题 ， 设 计 了基 于双循 环 测 量 隔 离管路 的 离心 泵 加速寿命试验平台。该平 台利用含砂粒子 大小与粒子浓度作为 离心泵加速寿命应力 因子 ， 以流量一 扬程特 性 曲线作 为 寿命评 价 指标 。测 试 结果表 明 ， 该 平 台可 以有 效加 速 离心 泵失 效过程 ， 并 能 实现 离心泵特 性 曲线 拟合 和试 验数 据 的在 线测 量 ， 满足 了加 速寿命 试 验要 求 。 关键 词 离心 泵 ； 加 速 寿命 试 验 ； 双 循环 测量 ； P I C 中 图分类 号 T D6 3 6 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 - 0 7 0 5 1 4 5 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 7 0 5 ． 1 4 5 6 ． 0 0 5 ． h t ml De s i g n o f a c c e l e r a t e d l i f e t e s t p l a t f o r m o f c e nt r i f u g a l p u mp b a s e d o n d o u bl e c i r c u l a t i n g l i ne s f o r i s o l a t i o n me a s u r e me nt YAO Yu ， S ONG J i a n c h e n g ，HAN Yi ，XI Qi n g x i a n g ，L I J i a n h u a 。 1． Sha nxi Ke y La bo r a t o r y o f M i ni n g El e c t r i c a l Eq ui pm e nt a n d I nt e l l i ge n t Co nt r o l ， Ta i y ua n Uni v e r s i t y o f Te c hn ol o gy， Ta i yu a n 0 30 0 2 4，Chi n a； 2． Sha nx i Co a l M i ne M a c hi n e r y M a n uf a c t u r i ng Co． ，Lt d． ，Ta i y ua n 0 3 0 02 4，Chi na Ab s t r a c t Fo r t h e p r ob l e m s o f c ompl e x f a i l ur e pr o c e s s a n d de f e c t i v e f a i l ur e d a t a b a s e f o r c e n t r i f u ga l 收 稿 日期 2 0 1 6 - 0 1 - 0 8 ； 修 回 日期 2 0 1 6 0 5 3 1 ； 责 任编 辑 张 强 。 基金项 目 山西省科技重大专项项 目 2 0 1 3 1 1 0 1 0 2 9 。 作者简介 姚宇 1 9 9 0 ， 男 ， 黑龙江北安人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为煤矿 自动化 、 设备故障诊断等 ， E ma i l y a o y u t y y e a h ． n e t 。 4 结 语 为 实 现风 速值 实 时 、 精 准测 量 ， 设 计 了一种 基 于 DD S技 术 的 矿 用 风 速 传 感 器 。通 过 理 论 分 析 与 实 验 验证 可 知 ， 该 传感 器适 合 井下 风速 测量 点 的实 时 、 在 线 、 精 准测量 ， 具 有 以下优 点 ① 超 声 波振 荡 电路 采 用 D DS技 术 ， 无 需 人 工 调 试 振 荡 电路 最 佳 谐 振 点 ， 使 用 方 便 。② 振 荡 频 率 南单 片 机控 制 ， 只 要 单 片机输 出 的时基信 号 稳 定 ， 振 荡 频 率 就 不 会 发 生 变 化 ， 避 免 了传 统 自激 振 荡 电路 长 时 问工 作 在 工 况 较 差 区域 时 谐振 点 漂 移 的 问题 。③ 传感 器通 过 中值 平 均 滤波 对信 号进 行 处理 ， 可 以有效 滤 除随机 干 扰 ， 可靠性 较 高 。 参 考 文 献 [ 1 ] 冉霞 ， 游 青 山． 基于 时差 法 的矿用 超声 波风 速 传感 器 E J ] ． 煤 矿安全 ， 2 0 1 5 ， 4 6 7 1 1 6 1 1 9 ． E 2 3 杨 生元 ． 直接数 字频率合 成技 术在超 声波振荡 电路 中 的应 用f J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 5 7 0 7 3 ． E 3 ] 王龙 帅 ， 史敬 灼． 超声 波电动 机驱 动用 D D S信 号发 生 器误 差分析[ J ] ． 微 电机 ， 2 0 0 9 ， 4 2 4 6 9 7 2 ． [ 4 ] 徐韶华 ， 熊显 明． 基于 D D S的频率 自动跟踪超 声 波发 生器的研 制E c ] ／ ／ 中国仪 器仪 表学会． 第 3届全 国虚拟 仪器学术交流大会论文集 ， 桂林 ， 2 0 0 9 4 0 6 4 0 9 ． [ 5 ] 董敏 诗 ， 杜文军． c w一 1型超 声波涡街风速传感 器抗 干 扰及 稳定性的研究[ J ] ． 矿业 安全与环保 ， 2 0 0 0 ， 2 7 2 2卜2 2．