本發(fā)明屬于測(cè)風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種礦用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及其測(cè)風(fēng)方法。

背景技術(shù)：

礦井通風(fēng)為煤礦用風(fēng)地點(diǎn)輸送新鮮空氣，并排出污濁空氣，是礦井安全和礦工工作環(huán)境的基礎(chǔ)保障。為及時(shí)準(zhǔn)確掌握井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，對(duì)礦井通風(fēng)巷道進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)量測(cè)量是煤礦的日常工作，需要投入大量的人力和時(shí)間。而先進(jìn)的測(cè)量裝置和測(cè)風(fēng)方法可以提高風(fēng)速、風(fēng)量測(cè)量精度和測(cè)風(fēng)效率。

現(xiàn)階段，我國(guó)礦井主要采用葉輪機(jī)械式風(fēng)速表對(duì)用風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，葉輪機(jī)械式風(fēng)速表葉片在風(fēng)流驅(qū)動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)風(fēng)速表內(nèi)部轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)量的測(cè)量。但由于機(jī)械式風(fēng)速表的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，啟動(dòng)風(fēng)速較高(一般在0.2m/s以上)，不能滿足《煤礦安全規(guī)程》中巖巷風(fēng)速不小于0.15m/s的要求；機(jī)械式風(fēng)速表采用巷道斷面線路法測(cè)量平均風(fēng)速，對(duì)測(cè)量人員經(jīng)驗(yàn)要求高，測(cè)量精度受人為因素影響大；測(cè)量需要一分鐘，且配備秒表，測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；測(cè)量過(guò)程中易受井下潮濕、多塵等復(fù)雜惡劣環(huán)境影響，造成葉片腐蝕。以上諸多原因?qū)е略谕度氪罅咳肆蜁r(shí)間的情況下仍不能準(zhǔn)確掌握通風(fēng)系統(tǒng)狀況。

基于以上因素，在礦井需風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)量的測(cè)量過(guò)程中，迫切需要一種性能穩(wěn)定、啟動(dòng)風(fēng)速低、測(cè)量精度高，能適應(yīng)礦井惡劣使用環(huán)境的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種礦用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及其測(cè)風(fēng)方法，能夠適應(yīng)礦井惡劣的使用環(huán)境。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種礦用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，包括主控模塊、濾波電路、信號(hào)放大電路、按照空間三維坐標(biāo)系分布的六個(gè)超聲波收發(fā)傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、服務(wù)器及電腦終端；所述空間三維坐標(biāo)系中包括三條互相垂直的坐標(biāo)軸，每條坐標(biāo)軸上各分布兩個(gè)相對(duì)的超聲波收發(fā)傳感器，每條坐標(biāo)軸上的兩個(gè)超聲波收發(fā)傳感器在原點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布；其中：

所述主控模塊發(fā)送開(kāi)始測(cè)量信號(hào)，所述濾波電路及所述信號(hào)放大電路開(kāi)始工作，所述超聲波收發(fā)傳感器兩兩對(duì)發(fā)測(cè)速超聲波信號(hào)，直至所有超聲波收發(fā)傳感器均完成測(cè)速超聲波信號(hào)的收發(fā)；

所述主控模塊將測(cè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲得礦井巷道的風(fēng)速風(fēng)向信息；

所述數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)rs485或wifi信號(hào)將所述風(fēng)速風(fēng)向信息傳輸?shù)剿龇?wù)器及控制電腦終端。

進(jìn)一步地，所述超聲波收發(fā)傳感器包括超聲波換能器、收發(fā)信號(hào)主控模塊、聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊、濾波放大模塊、時(shí)間計(jì)算單元、信號(hào)處理模塊以及回波信號(hào)接收模塊，其中：

所述超聲波換能器包括依次相連的緩沖保護(hù)層、聲波吸收物質(zhì)和控制電路模塊，所述超聲波換能器的外殼上涂有隔音涂層，所述緩沖保護(hù)層中設(shè)置有壓電振子，所述控制電路模塊通過(guò)信號(hào)線纜與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

進(jìn)一步地，所述緩沖保護(hù)層由硬質(zhì)硅脂材料構(gòu)成，以保護(hù)所述超聲波換能器內(nèi)部的壓電振子及控制電路模塊不受井下環(huán)境的影響。

進(jìn)一步地，所述壓電振子由具備壓電效應(yīng)的復(fù)合晶體材料制成，以將所述超聲波換能器發(fā)射聲波的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，并將接收到的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

一種測(cè)風(fēng)方法，所述方法包括：

超聲波收發(fā)傳感器中的收發(fā)信號(hào)主控模塊控制聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生聲波發(fā)射電信號(hào)，并經(jīng)由濾波放大模塊對(duì)所述電信號(hào)處理以后傳輸?shù)匠暡〒Q能器處，以發(fā)射超聲波信號(hào)；

所述超聲波信號(hào)在傳輸過(guò)程中，遇到障礙物反射，形成超聲回波信號(hào)；

超聲波收發(fā)傳感器中的回波信號(hào)接收模塊接收到所述超聲回波信號(hào)，并將所述超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)由濾波放大模塊濾除噪音信號(hào)及放大處理后，經(jīng)由信號(hào)處理模塊判斷處理，最后經(jīng)由時(shí)間計(jì)算單元記錄超聲波信號(hào)收發(fā)所需的時(shí)間，以得到超聲波換能器到障礙物之間的距離。

進(jìn)一步地，按照下述公式確定風(fēng)速在空間三維坐標(biāo)系中三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量：

其中，vi表示風(fēng)速在其中一個(gè)坐標(biāo)軸上的分量，li表示在該坐標(biāo)軸上兩個(gè)超聲波收發(fā)傳感器之間的距離，t2表示超聲波在逆風(fēng)中的傳播時(shí)間，t1表示超聲波在順風(fēng)中的傳播時(shí)間。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：

將風(fēng)速在所述三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量進(jìn)行矢量合成，以得到所述風(fēng)速在空間三維坐標(biāo)系中的速度值及風(fēng)向值。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提出的礦用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及其測(cè)風(fēng)方法，采用信息處理技術(shù)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量出井下待測(cè)地點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向等信息，從而解決了傳統(tǒng)葉輪機(jī)械式風(fēng)速表適用范圍窄、測(cè)量結(jié)果誤差大且啟動(dòng)風(fēng)速高等問(wèn)題，能夠適應(yīng)礦井惡劣的使用環(huán)境。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明一種礦用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的整體結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明所述超聲波換能器的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是超聲波收發(fā)傳感器工作原理圖；

圖4是超聲波收發(fā)傳感器探頭布置結(jié)構(gòu)圖；

圖5是風(fēng)矢量合成示意圖；

圖6是超聲波收發(fā)出傳感器測(cè)風(fēng)方法圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

請(qǐng)參閱圖1，本申請(qǐng)實(shí)施方式提供一種礦用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，包括主控模塊、濾波電路、信號(hào)放大電路、按照空間三維坐標(biāo)系分布的六個(gè)超聲波收發(fā)傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、服務(wù)器及電腦終端；所述空間三維坐標(biāo)系中包括三條互相垂直的坐標(biāo)軸，每條坐標(biāo)軸上各分布兩個(gè)相對(duì)的超聲波收發(fā)傳感器，每條坐標(biāo)軸上的兩個(gè)超聲波收發(fā)傳感器在原點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布；其中：

所述主控模塊發(fā)送開(kāi)始測(cè)量信號(hào)，所述濾波電路及所述信號(hào)放大電路開(kāi)始工作，所述超聲波收發(fā)傳感器兩兩對(duì)發(fā)測(cè)速超聲波信號(hào)，直至所有超聲波收發(fā)傳感器均完成測(cè)速超聲波信號(hào)的收發(fā)；

所述主控模塊將測(cè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲得礦井巷道的風(fēng)速風(fēng)向信息；

所述數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)rs485或wifi信號(hào)將所述風(fēng)速風(fēng)向信息傳輸?shù)剿龇?wù)器及控制電腦終端。

請(qǐng)參閱圖3，在本實(shí)施方式中，所述超聲波收發(fā)傳感器包括超聲波換能器、收發(fā)信號(hào)主控模塊、聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊、濾波放大模塊、時(shí)間計(jì)算單元、信號(hào)處理模塊以及回波信號(hào)接收模塊，其中：

請(qǐng)參閱圖2，所述超聲波換能器包括依次相連的緩沖保護(hù)層、聲波吸收物質(zhì)和控制電路模塊，所述超聲波換能器的外殼上涂有隔音涂層，所述緩沖保護(hù)層中設(shè)置有壓電振子，所述控制電路模塊通過(guò)信號(hào)線纜與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在本實(shí)施方式中，所述緩沖保護(hù)層由硬質(zhì)硅脂材料構(gòu)成，以保護(hù)所述超聲波換能器內(nèi)部的壓電振子及控制電路模塊不受井下環(huán)境的影響。

在本實(shí)施方式中，所述壓電振子由具備壓電效應(yīng)的復(fù)合晶體材料制成，以將所述超聲波換能器發(fā)射聲波的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，并將接收到的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

為了防止環(huán)境噪音及壓電振子發(fā)射的超聲波對(duì)接收的超聲波信號(hào)造成干擾，在超聲波換能器內(nèi)部及四周分別設(shè)計(jì)有聲波吸收物質(zhì)及隔音涂層，用來(lái)隔絕環(huán)境噪音及壓電振子衍射到換能器內(nèi)部的聲波信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噪音聲波脈沖阻尼小于3×10^-5s

本申請(qǐng)還提供一種應(yīng)用于上述礦用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的測(cè)風(fēng)方法，所述方法包括：

超聲波收發(fā)傳感器中的收發(fā)信號(hào)主控模塊控制聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生聲波發(fā)射電信號(hào)，并經(jīng)由濾波放大模塊對(duì)所述電信號(hào)處理以后傳輸?shù)匠暡〒Q能器處，以發(fā)射超聲波信號(hào)；

所述超聲波信號(hào)在傳輸過(guò)程中，遇到障礙物反射，形成超聲回波信號(hào)；

超聲波收發(fā)傳感器中的回波信號(hào)接收模塊接收到所述超聲回波信號(hào)，并將所述超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)由濾波放大模塊濾除噪音信號(hào)及放大處理后，經(jīng)由信號(hào)處理模塊判斷處理，最后經(jīng)由時(shí)間計(jì)算單元記錄超聲波信號(hào)收發(fā)所需的時(shí)間，以得到超聲波換能器到障礙物之間的距離。

在本實(shí)施方式中，按照下述公式確定風(fēng)速在空間三維坐標(biāo)系中三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量：

其中，vi表示風(fēng)速在其中一個(gè)坐標(biāo)軸上的分量，li表示在該坐標(biāo)軸上兩個(gè)超聲波收發(fā)傳感器之間的距離，t2表示超聲波在逆風(fēng)中的傳播時(shí)間，t1表示超聲波在順風(fēng)中的傳播時(shí)間。

在本實(shí)施方式中，所述方法還包括：

將風(fēng)速在所述三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量進(jìn)行矢量合成，以得到所述風(fēng)速在空間三維坐標(biāo)系中的速度值及風(fēng)向值。

具體地，請(qǐng)參閱圖4至圖6，超聲波收發(fā)傳感器工作時(shí)，首先由收發(fā)信號(hào)主控模塊控制聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生聲波發(fā)射電信號(hào)，并經(jīng)由濾波放大模塊對(duì)信號(hào)處理以后傳輸?shù)匠暡〒Q能器處發(fā)射超聲波信號(hào)，信號(hào)在傳輸過(guò)程中，遇到障礙物反射，形成超聲回波，回波信號(hào)接收模塊接收到回波脈沖，并將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)由濾波放大電路模塊濾除噪音信號(hào)及放大處理，經(jīng)由信號(hào)處理模塊判斷處理，最后經(jīng)由時(shí)間計(jì)算單元記錄超聲波信號(hào)收發(fā)所需時(shí)間，進(jìn)而得到待測(cè)換能器到障礙物之間的距離。

本發(fā)明測(cè)量礦井巷道網(wǎng)絡(luò)風(fēng)速風(fēng)向信息過(guò)程中，六只超聲波收發(fā)傳感器如圖4所示，分別沿三維空間坐標(biāo)系中的三個(gè)坐標(biāo)軸兩兩相對(duì)布置。利用直接時(shí)差原理測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向大小，如圖5所示：設(shè)風(fēng)速v在三維空間坐標(biāo)軸上的分量分別為vx、vy、vz，取立體空間中一點(diǎn)v(x、y、z)，假設(shè)t為環(huán)境風(fēng)由空間坐標(biāo)原點(diǎn)傳輸?shù)轿恢胿所需要的時(shí)間，c為超聲波在環(huán)境中的傳播速度，由于在實(shí)際測(cè)風(fēng)過(guò)程中，兩兩相對(duì)布置傳感器的距離遠(yuǎn)大于聲波波長(zhǎng)，則風(fēng)在傳播過(guò)程中滿足：

(x-vxt)²+(y-vyt)²+(z-vzt)²＝c²t²

如圖6所示：具體到x軸上，假設(shè)p’(x、y、z)＝p’(l、0、0)，l為x軸上兩個(gè)超聲波收發(fā)傳感器之間的距離，帶入上式化簡(jiǎn)可得：

假設(shè)超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)中的傳播時(shí)間分別為t1、t2，則上式可表示為：

兩式相減，化簡(jiǎn)可得：

同理，分別求出風(fēng)速v在y軸和z軸上的分量vy、vz，最后進(jìn)行矢量合成，即可得到風(fēng)在三維空間坐標(biāo)系中的風(fēng)速及風(fēng)向信息。

試驗(yàn)驗(yàn)證：

(1)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞校準(zhǔn)測(cè)試

為了檢驗(yàn)本發(fā)明的產(chǎn)品穩(wěn)定性及應(yīng)用效果，將本發(fā)明置于重慶市國(guó)家儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)速校準(zhǔn)測(cè)試，風(fēng)洞試驗(yàn)斷面為矩形，置于風(fēng)洞中待測(cè)的風(fēng)速風(fēng)向儀迎風(fēng)面積僅為風(fēng)洞截面面積的3.4％，符合置于風(fēng)洞中被測(cè)試物體面積不應(yīng)大于風(fēng)洞工作截面面積4～5％的工業(yè)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速校準(zhǔn)的試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)洞采用微壓計(jì)和皮托管測(cè)風(fēng)，測(cè)速計(jì)算公式為：

式中：v實(shí)-真實(shí)風(fēng)速，m/s；g-重力加速度，9.8m/s；h動(dòng)-微壓計(jì)測(cè)量動(dòng)壓值，毫米水柱；ξ-皮托管校準(zhǔn)系數(shù)；γ-空氣重率，kg/m³。

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的工作頻率范圍獲得不同的風(fēng)速大小，實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向儀的輸出數(shù)值與真實(shí)環(huán)境中風(fēng)速的數(shù)值。

(2)與煤礦現(xiàn)有葉輪機(jī)械式風(fēng)表對(duì)比測(cè)試

以本發(fā)明在淮南礦業(yè)集團(tuán)顧北煤礦的應(yīng)用為例，通過(guò)與煤礦現(xiàn)有葉輪機(jī)械風(fēng)速表進(jìn)行井下、地面多點(diǎn)實(shí)地測(cè)量得到如表1所示數(shù)據(jù)。

表1本發(fā)明與葉輪機(jī)械式風(fēng)速表的對(duì)比應(yīng)用情況

由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，本發(fā)明單點(diǎn)測(cè)風(fēng)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于使用傳統(tǒng)葉輪機(jī)械式風(fēng)速表進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量得到測(cè)試數(shù)據(jù)。同時(shí)，單點(diǎn)測(cè)試時(shí)間由原來(lái)的60s縮減為現(xiàn)在的25s，單點(diǎn)測(cè)試時(shí)間節(jié)省58.4％。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提出的礦用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及其測(cè)風(fēng)方法，采用信息處理技術(shù)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量出井下待測(cè)地點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向等信息，從而解決了傳統(tǒng)葉輪機(jī)械式風(fēng)速表適用范圍窄、測(cè)量結(jié)果誤差大且啟動(dòng)風(fēng)速高等問(wèn)題，能夠適應(yīng)礦井惡劣的使用環(huán)境。

最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。