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    從硬件電路設(shè)計(jì)及頻移信號(hào)處理方法改進(jìn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的性能，本文針對(duì)目前市場(chǎng)上轉(zhuǎn)子多普勒流量計(jì)存在的測(cè)量精度低、穩(wěn)定度差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，尤其在低流速情況下的誤差較大等問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究，文中主要從硬件電路設(shè)計(jì)及多普勒頻移信號(hào)處理方法兩個(gè)方向著手，提出了解決方案。在系統(tǒng)硬件電路中使用高精度DDS芯片產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)，采用中頻解調(diào)技術(shù)將頻移信號(hào)解調(diào)到10kHZ，結(jié)合與超聲探頭相匹配的發(fā)射和接收等電路，提高了系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定度以及對(duì)流速變化的響應(yīng)速度；在頻移信號(hào)處理方面，采用復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化算法（ZOOM-FFT）對(duì)DSP采集的頻移信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，提高了系統(tǒng)在低流速下的測(cè)量準(zhǔn)確度。結(jié)果表明，文中所采用的ZFFT算法對(duì)于超聲多普勒信號(hào)的頻率分辨率達(dá)到3HZ，可清晰的區(qū)分10HZ的頻偏信息，較FFT算法明顯提高了轉(zhuǎn)子流量測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。

    轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種非接觸式流量計(jì)量?jī)x表，它被廣泛的應(yīng)用在石油、化工及日常生活中的方方面面。在轉(zhuǎn)子流量計(jì)中多普勒法是其中的重要一種，它適用于測(cè)量混合介質(zhì)流體流量。轉(zhuǎn)子多普勒流量計(jì)通常由轉(zhuǎn)子傳感器，轉(zhuǎn)子發(fā)射和接收裝置以及信號(hào)處理系統(tǒng)三部分組成。其中，信號(hào)處理系統(tǒng)是對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行一系列模擬和數(shù)字方式的處理，從而分析出測(cè)量管段中流體的流量。目前，市場(chǎng)上的轉(zhuǎn)子多普勒流量計(jì)產(chǎn)品很多，它們對(duì)于多普勒頻移信號(hào)的處理大多數(shù)都是采用模擬濾波、頻率轉(zhuǎn)電壓、整形計(jì)數(shù)或者是簡(jiǎn)單的傅里葉變換（FFT）等方式。

因此，它們普遍存在著測(cè)量穩(wěn)定性差、精度低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等問(wèn)題，尤其是在低流速管道流量測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果偏差較大，甚至沒(méi)有參考性。

針對(duì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)存在的上述問(wèn)題，本文從硬件電路和信號(hào)處理方法兩方面進(jìn)行了研究。在硬件上對(duì)微弱的多普勒回波信號(hào)進(jìn)行了多級(jí)放大、濾波、解調(diào)等處理，從而將回波信號(hào)調(diào)整在10kHz的頻帶上，提高了系統(tǒng)對(duì)于流量變化的響應(yīng)速度。文中使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)調(diào)理后的多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字序列進(jìn)行復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化（ZOOM-FFT）運(yùn)算及相應(yīng)的數(shù)字濾波，提高了多普勒頻移信號(hào)的頻譜分辨率，從而提高了流量的分辨率。

1、轉(zhuǎn)子多普勒流量測(cè)量原理

    聲學(xué)中，當(dāng)聲源與觀察者相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，或兩者同時(shí)相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率與聲源發(fā)出的頻率不同。當(dāng)聲源與觀察者之間的距離隨時(shí)間縮短時(shí)接收到的頻率高于聲源發(fā)出的頻率；反之，接收到的頻率低于聲源頻率。聲源發(fā)出的頻率與觀察者聽(tīng)到的頻率之間的頻率差稱(chēng)為多普勒頻移，它的大小取決于兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。

    在利用轉(zhuǎn)子多普勒法測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)子傳感器的激勵(lì)方式主要有兩種分別為：?jiǎn)屋d頻脈沖波激勵(lì)，連續(xù)正弦波激勵(lì)。本文中采用連續(xù)正弦波信號(hào)激勵(lì)方式，用一對(duì)斜探頭垂直對(duì)稱(chēng)安裝在管道外側(cè)（如圖1所示），發(fā)射探頭產(chǎn)生的連續(xù)波超聲信號(hào)經(jīng)聲楔和管壁進(jìn)入運(yùn)動(dòng)中的流體，并被隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體懸浮顆粒、氣泡等可以散射轉(zhuǎn)子信號(hào)的物質(zhì)散射而進(jìn)入接收探頭。通過(guò)測(cè)定流體中運(yùn)動(dòng)粒子散射聲波的多普勒頻移，完成流量檢測(cè)。

轉(zhuǎn)子多普勒流量測(cè)量示意圖如圖1所示，轉(zhuǎn)子在被測(cè)流體中的傳播速度為c，u為懸浮顆粒在流體中的流速，β為轉(zhuǎn)子束在管壁中的入射角，α為聲楔的角度，f1為轉(zhuǎn)子的發(fā)射頻率，f2為接受的轉(zhuǎn)子信號(hào)的頻率，Δf為多普勒頻移，其中θ為轉(zhuǎn)子在流體中的傳播方向角度。

2、多普勒轉(zhuǎn)子流量計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    多普勒流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要是完成對(duì)轉(zhuǎn)子信號(hào)的發(fā)射、接收和相關(guān)處理，以及對(duì)流量計(jì)外部設(shè)備的控制等，系統(tǒng)框圖如圖2所示。本文采用一對(duì)中心頻率在640kHz的超聲換能器分別作為發(fā)射和接收探頭，利用頻率為640kHz的連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射電路使其在管道中發(fā)射轉(zhuǎn)子。接收端采用選頻放大電路接收超聲回波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)解調(diào)電路將多普勒頻移信號(hào)解調(diào)到中頻10kHZ上。DSP芯片對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后利用選帶頻譜細(xì)化ZOOM-FFT算法精確的獲取到多普勒頻率偏移量。在進(jìn)入A/D之前必須經(jīng)過(guò)抗混疊濾波以避免在模擬輸入信號(hào)上疊加周期或者非周期的干擾信號(hào)，從而附加到量化值中，給有用信號(hào)帶來(lái)一定的干擾。本文中的DSP芯片選用的是TI公司的TMS320x2812，它不僅完成了上述任務(wù)，還對(duì)系統(tǒng)的液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等進(jìn)行了控制。 

    本文設(shè)計(jì)中發(fā)射及解調(diào)的基準(zhǔn)信號(hào)都是通過(guò)DDS芯片產(chǎn)生的，它可以穩(wěn)定地輸出單一頻率的正弦波和方波波形，從而降低了由于發(fā)射信號(hào)及解調(diào)參考信號(hào)頻率抖動(dòng)對(duì)于多普勒頻移信號(hào)的影響。由于DDS產(chǎn)生的640kHz正弦波幅度較小、功率較低，而管道和流體會(huì)對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行衰減，所以要將DDS產(chǎn)生的正弦波通過(guò)轉(zhuǎn)子信號(hào)發(fā)射電路進(jìn)行一定程度的幅度和功率放大。轉(zhuǎn)子信號(hào)發(fā)射電路還有一項(xiàng)重要工作就是與超聲換能器電學(xué)匹配，只有在匹配情況下?lián)Q能器才能最大效率的向流體中發(fā)射轉(zhuǎn)子。

    由于換能器的發(fā)射信號(hào)在經(jīng)過(guò)傳感器和管道、介質(zhì)等的衰減之后，到達(dá)接收端是一個(gè)微弱信號(hào)，而此微弱信號(hào)中包含著流體流動(dòng)的信息，所以回波接收電路的好壞對(duì)于流量計(jì)的性能有著重要的影響。本文所設(shè)計(jì)的回波信號(hào)接收電路包括兩部分，選頻放大電路和低噪聲前置放大電路。選頻放大電路對(duì)接收探頭接收的微弱信號(hào)進(jìn)行一定程度的頻率選擇和放大，濾除發(fā)射頻率一定范圍外的噪聲，并且在不超過(guò)解調(diào)電路允許的電壓范圍內(nèi)提高信號(hào)的幅度，以利于后期信號(hào)處理。低噪聲前置放大電路對(duì)接收到的超聲回波信號(hào)進(jìn)行二次放大，同時(shí)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出，以滿足解調(diào)電路對(duì)信號(hào)幅度等的要求。

    在采用頻譜分析技術(shù)計(jì)算多普勒頻移時(shí)，如果直接對(duì)接收到的高頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析會(huì)存在兩方面的問(wèn)題：（1）需要較高的采樣率；（2）頻率分辨率在高采樣率的情況下，要獲得較高的頻率分辨率需要采樣點(diǎn)數(shù)足夠大，對(duì)存儲(chǔ)空間的要求較高且計(jì)算量大[7]。所以本設(shè)計(jì)將回波信號(hào)先進(jìn)行解調(diào)，然后再進(jìn)行頻譜分析。對(duì)于信號(hào)解調(diào)，通常都是將信號(hào)解調(diào)到直流0Hz上，但這樣易受電源及其他低頻噪聲的干擾，使頻譜分析出來(lái)的結(jié)果不能準(zhǔn)確表征管道內(nèi)的流體流動(dòng)。將信號(hào)解調(diào)到0Hz上還有一個(gè)問(wèn)題，那就是在低流速情況下，要準(zhǔn)確分析出多普勒頻移量就要延長(zhǎng)信號(hào)采集時(shí)間，從而降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，本設(shè)計(jì)采用了外差法進(jìn)行解調(diào)，它是通過(guò)將回波信號(hào)與一個(gè)非載波頻率信號(hào)（設(shè)計(jì)中采用2.52MHz的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)解調(diào)芯片內(nèi)部的4分頻后為630kHz）進(jìn)行相干解調(diào)，將信號(hào)解調(diào)到10kHz，從而將多普勒頻移解調(diào)在差頻信號(hào)上，這樣就得到了一個(gè)包含流體流動(dòng)的流速信息和方向信息的低頻信號(hào)。

    解調(diào)后的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)理后才能進(jìn)入DSP的ADC模塊。信號(hào)調(diào)理主要是對(duì)解調(diào)芯片的輸出信號(hào)進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換、低通濾波以及信號(hào)抬升，以滿足后續(xù)信號(hào)處理的要求。

3多普勒頻移信號(hào)處理方法

    在轉(zhuǎn)子多普勒流量測(cè)量技術(shù)中，多普勒頻移信號(hào)處理方法直接影響著測(cè)量系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)有多普勒流量計(jì)產(chǎn)品中，對(duì)于頻移信號(hào)的處理方法大致分為整形計(jì)數(shù)、頻率轉(zhuǎn)電壓和頻譜分析三類(lèi)，總體來(lái)說(shuō)，前兩種方法在系統(tǒng)穩(wěn)定性、測(cè)量準(zhǔn)確度等方面都不如頻譜分析法。頻譜分析能夠揭示多普勒頻移信號(hào)的特征和動(dòng)態(tài)信息，頻譜分析法分為傳統(tǒng)的傅立葉頻譜分析法和現(xiàn)代譜估計(jì)法，現(xiàn)在市場(chǎng)上的超聲流量計(jì)產(chǎn)品基本上都是采用傅里葉頻譜分析法（FFT），此方法較適用于周期平穩(wěn)信號(hào)，是一種忽略局部信息變化的全局分析方法。在多普勒流量測(cè)量中，頻移信號(hào)是一個(gè)密集型頻譜信號(hào)，為準(zhǔn)確計(jì)算出管道內(nèi)流體流速（尤其在低流速情況下），就必須提高信號(hào)的頻譜分辨率。在采用FFT進(jìn)行頻譜分析時(shí)，由于頻率分辨率為Δf=fs/N所以只能通過(guò)降低采樣速率和增加采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)了，但這樣將會(huì)增大微處理器的計(jì)算量，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文采用復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化方法（ZOOM-FFT）對(duì)多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行處理，它是一種更為有效的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析方法，ZOOM-FFT法不管從分辨率、計(jì)算量、實(shí)時(shí)性等方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傅里葉頻譜分析法。

3.1ZOOM-FFT頻譜細(xì)化算法

    復(fù)調(diào)制ZOOM-FFT算法能以指定的、足夠高的采樣頻率分析任意頻段內(nèi)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。在序列變換點(diǎn)數(shù)相同的情況下，ZOOM-FFT能獲得更高的頻率分辨率，在相同的頻率分辨率下，它比基帶FFT需要更少的傅立葉變換點(diǎn)數(shù)，因此ZOOM-FFT非常適用于要求大頻率分析范圍、高頻率分辨率和少變換點(diǎn)數(shù)的場(chǎng)合。

    模擬信號(hào)x（t），經(jīng)過(guò)抗混疊濾波之后進(jìn)行A/D采集得到時(shí)間采樣序列x（n），fs為采樣頻率，fe為需要細(xì)化的中心頻率，細(xì)化倍數(shù)為D。復(fù)解析帶通濾波器的帶通寬度為fs/D,隔D點(diǎn)選抽一點(diǎn)，移頻和做N點(diǎn)譜分析，頻帶（fl~f2）用N條獨(dú)立譜線表示。具體算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:

    （1）復(fù)調(diào)制移頻;所謂復(fù)調(diào)制移頻就是對(duì)原始信號(hào)的頻域進(jìn)行向左或向右的搬移，根據(jù)離散傅立葉變換的頻移性質(zhì)，x.（n）為A/D采集后的離散信號(hào)，

    （2）低通濾波；復(fù)調(diào)制頻移之后，為了避免后續(xù)重采樣后的信號(hào)發(fā)生頻率混疊，通過(guò)低通濾波將包含中心頻率和多普勒頻移信號(hào)有用頻段信息保留下來(lái)，需要確定細(xì)化倍數(shù)D，并且設(shè)置低通濾波器的截止頻率為fs/2D，低通后的輸出用式Y(jié)（K）=X（K）H（K）表示，H（K）表示理想低通濾波器的頻率響應(yīng)，在時(shí)域則通過(guò)下式表示：

3.2算法的仿真與驗(yàn)證

    對(duì)于木系統(tǒng)中解調(diào)后得到的10kHz中頻上的信號(hào)，選擇中心頻率為10KIIZ，采樣頻率為50KHZ，進(jìn)行4096點(diǎn)的FFT和ZFFT算法進(jìn)行仿真比較。圖4表示直接進(jìn)行4096點(diǎn)的FFT頻譜圖;圖5為進(jìn)行細(xì)化倍數(shù)D=4,fft點(diǎn)數(shù)為4096的細(xì)化后的頻譜。

    由于頻偏成分與中心頻率之間的頻率間隔為100HZ，通過(guò)圖5可看出，直接進(jìn)行FFT顯然很難分辨出中心頻率和頻率偏移，它的頻譜分辨率為fs/N=12HZ，通過(guò)調(diào)整細(xì)化倍數(shù)mD2=

（細(xì)化倍數(shù)為2的整數(shù)倍）來(lái)改變頻譜分辨率，細(xì)化4倍后頻譜分辨率可達(dá)到3HZ，通過(guò)對(duì)比可得出，ZOOM-FFT算法不但頻譜分辨率得到了提高，而且算法的穩(wěn)定性好，能夠有

    效的提高信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在超聲多普勒流量計(jì)的研制中，局部頻譜細(xì)化的應(yīng)用有利于后期譜峰搜索范圍的減小及計(jì)算流速的精確性。

4結(jié)束語(yǔ)

    在研究了轉(zhuǎn)子多普勒流量測(cè)量理論的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前多普勒轉(zhuǎn)子流量計(jì)存在的穩(wěn)定性差、靈敏度低、測(cè)量誤差大等問(wèn)題，本文從硬件電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方法兩方面改進(jìn)了多普勒流量計(jì)的性能。主要的改進(jìn)包括：

    （1）采用先進(jìn)的DDS芯片產(chǎn)生超聲發(fā)射電路及解調(diào)電路中的基準(zhǔn)信號(hào)。DDS芯片輸出具有高精度、高穩(wěn)定度的特點(diǎn)，它可以很好的解決由于溫度等變化引起的基準(zhǔn)信號(hào)抖動(dòng)，降低了基準(zhǔn)信號(hào)變化對(duì)于多普勒頻移信號(hào)的影響。

    （2）中頻解調(diào)技術(shù)。通過(guò)解調(diào)芯片將多普勒頻移信號(hào)解調(diào)在10kHz的頻帶上，提高了在頻譜分析點(diǎn)數(shù)一定的情況時(shí)系統(tǒng)的靈敏度。

    （3）在DSP芯片中使用復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化算法（ZOOM-FFT）對(duì)多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。ZOOM-FFT算法有效地提高多普勒頻移信號(hào)的頻率分辨率，并減小了DSP的計(jì)算量，解決了多普勒流量測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精確度及低流速情況下的測(cè)量準(zhǔn)確性。