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关于矿井下便携式测风速仪的滤波电路测试

2025-07-07 40 上传者：管理员

摘要：针对矿井潮湿多尘环境下机械测风仪精度不足的问题，研制了矿用便携式超声波测风速仪。该设备采用模块化设计，集成超声波换能器、信号收发电路、放大滤波电路等技术[1]，实现风速的精准测量，通过优化算法进行误差修正，精度达到0.01m/s。测试结果表明，较传统机械式风表相比，测试平均误差降低约30%，稳定性显著提升。手持式结构适配井下复杂环境，兼顾操作与携带的便携性，不与外界接触的特性解决了传统设备因机械磨损导致的性能下降问题。

关键词：
便携式
煤矿安全
矿井
超声波
风速测量
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矿井通风系统是煤矿安全生产的核心环节,其主要功能是确保井下空气质量,排出有害气体(如粉尘､瓦斯和一氧化碳),维持井下环境稳定与安全｡通风系统正常运行对预防重大事故如瓦斯爆炸､火灾等的发生具有十分重要的意义｡然而,矿井通风环境复杂多变,受地质条件､开采深度､巷道布局和设备状态等因素影响,通风网络结构和风量需求随矿井延伸而变化,若调整不及时,可能导致风量不均,引发安全隐患｡此外,井下潮湿､多尘的环境易导致设备腐蚀和磨损,增加了管理难度｡因此,建立实时的监测预报系统对于提高通风系统效率和确保矿井安全来说,具有极其重要的意义｡

在通风监测中,风速和风向的测量是关键｡传统机械式风速仪(如风杯式和尾翼式)虽结构简单､成本低,但存在机械部件易磨损､启动风速限制和测量精度不足等问题｡随着科技进步,超声波风速仪､皮托管风速仪等新型技术逐渐应用于矿井通风系统｡超声波风速仪采用非接触式测量原理,通过测量超声波在顺风和逆风方向上的传播时间差来计算风速和风向[2],具有精度高､响应快､寿命长等优点,且不受低风速和环境因素影响[3],成为矿井通风系统的理想选择｡

近年来,国内外学者在超声波测风速仪研究方面,取得显著进展｡例如,意大利团队成功研制了超声波风速仪样机;国内学者从声强和传播时间角度分析了其基本原理;开发了多通道智能风速测量仪,实现了风速､温度和湿度的多指标测量[4]｡深圳市智翔宇仪器设备有限公司研发的CFF2D-2型二维超声波仪是国内技术较为先进的超声波风速风向测量装置[5]｡尽管超声波风速仪在矿井通风中展现出巨大潜力,但其实际应用仍面临井下噪声干扰和设备维护等挑战｡未来的研究需着重提高仪器的抗干扰能力､优化信号处理算法,并开发智能化监测系统,以满足高精度､高可靠性的测量需求｡

1、超声波的特点及应用

超声波是一种频率高于20kHz的声波,由基波和高次谐波合成｡由于其频率高､波长短,超声波在传播过程中衍射现象不显著,具有良好的指向性和束射性,能够保持较高的能量集中度,适合用于精确测量和检测｡这些特性使得超声波被广泛应用于医疗领域､工程领域和工业检测领域｡

在医学领域,超声波技术被用于诊断和检测｡例如,超声波检测骨密度技术通过测量超声波在骨骼中的传播速度评估骨密度,帮助诊断骨质疏松;B超技术利用超声波在人体组织中的反射特性生成内部器官图像,用于疾病诊断和胎儿监测[6]｡这些应用无创､无痛,且具有高准确性和安全性｡

在工程领域,超声波技术用于无损检测,能够在不破坏材料的情况下检测内部缺陷,如裂纹､空洞和夹杂物｡通过对超声波传播时间､反射信号进行分析,确定缺陷部位及缺陷大小,对材料的完整性和安全性进行评估｡这种方法在建筑､桥梁和航空航天等领域具有重要意义,可有效预防结构失效和事故｡

此外,超声波技术还广泛应用于测距､测温和测流体流速等多个领域｡超声波测距仪通过测量超声波从发射到接收的时间来计算距离,应用于汽车倒车雷达､机器人导航等;超声波测温技术利用声速与温度的关系推算温度,适用于恶劣环境;超声波测流体流速技术通过测量顺流和逆流传播时间差计算流速,广泛应用于水文监测､石油化工等领域｡

超声波测风速仪是超声波技术在工业应用的典型例子｡它通过测量超声波的飞行时间计算风速,具有无摩擦､无磨损､响应快和精度高等优点,广泛应用于矿井通风系统等环境｡便携式超声波测风速仪进一步扩展了应用范围,除去提供高精度数据之外,便携式的操作与携带对保障矿工安全和提高矿山效率具有重要意义[7]｡

在井下巷道直径为5m的条件下,根据研究表明,40kHz的超声波信号在短距离传播方面优于其他频率｡首先,该频率的衰减系数低:空气吸收系数小(约1.2dB/m),5m传输总衰减约6dB,可保持信号强度｡其次,该频率的换能器兼容性强:常见换能器在此频段灵敏度高,信噪比稳定,适合中短距离测量｡

超声波时差法测速原理:

超声波时差法是一种高精度的风速测量方法,基于超声波在空气中的传播速度与风速的叠加效应｡该方法使用两对超声波换能器,分别测量不同方向的风速分量｡当超声波传播方向与风向相同时,传播速度增大;反之传播速度减小[8]｡通过测量顺风和逆风方向上的传播时间差,可准确计算出风速和风向｡

时差法测量风速的过程大致可以分为以下几个步骤:首先,假设风速在平面直角坐标系的两个坐标轴上的投影分量分别为vx和vy｡通过在x轴上测量超声波顺风和逆风的传播时间,可以计算出vx;同理,在y轴上可以计算出vy｡根据矢量合成原理,将vx和vy进行合成,即可得到真实的风速和风向｡

在矿井环境下,风速测量具有其特殊性｡由于矿井巷道内的风向通常只能沿着巷道的直线方向流动,因此风向的变化范围相对有限｡基于这一特点,时差法测量风速在矿井中的应用可以进一步简化｡通过手持测风速仪,在巷道不同测点进行区段风速的检测,进而得到风速数据,达到测量目的｡

具体实现过程如下:当超声波风速传感器上电后,数字信号控制器按照预定的时序控制换能器发射和接收超声波信号｡在测量过程中,数字信号控制器通过驱动电路激励高压电路,使换能器A发射超声波信号｡超声波信号经由空气传播到接收换能器B,并被还原成电信号｡随后,接收电路对信号进行放大､滤波和整形处理,并暂存测量结果｡接着,发射源与接收源互换,由换能器B发射超声波信号,经由空气传播至换能器A,并进行类似的信号处理｡通过这种方式,可以获得一组超声波在顺风和逆风方向上的传播速度数据,进而计算出真实的风速值｡(图1)

超声波传播路径上风速计算公式如下:

vw为风在传播路径上风速,单位为m/s;vu为超声波传播路径上风速,单位为m/s;

L为超声波传播路径长度,单位为m;tf为超声波顺风的传播时间,单位为s;ta为超声波逆风的传播时间,单位为s｡

整理可得:

由上式可知,消除了超声波在静风环境中传播速度vu的影响｡另外,为了能够准确测出风速的数值和风向,设计采用2组水平方向互相垂直的超声波换能器探头如图2所示,两组探头间的距离相等,分别测量超声波在两组探头在顺､逆风环境下的传播时间tAB,tBA,tCD,tDC,由式(3)可计算求出其中一个方向上的风速,再通过矢量合成运算,即可得到当前环境中风速的大小和风向等数值信息[4]｡

2、电路模拟实验

图3中,由C1,R1,R2,AD8066ARZ构成带通滤波器,R3,C2为滤波器的拓补,用来配置滤波器的零点｡并以此结构组成3阶带通滤波器,实现信号的精确滤波｡

图4所示为滤波器的波特图,可以看到,该带通滤波器在40kHz频率下,增益倍数为57dB｡

3、数据测试

如表1所示,在标准风洞环境下,仪器测量精度达到了0.01m/s,与机械式风表所测得的数据相比,仪器检测数据更加接近风洞内风速｡

图1超声波时差法原理

图2测风速模型

图340kHz带通滤波器

图4滤波电路伯德图

表1标准风洞下校准实验结果

4、结论

本文基于超声波时差算法,应用于移动式矿井巷道风速测量设备,主要得出结论如下:风速测量数据表明,移动相比国内其他仪器,监测数据更加接近真实数据,达到设计预期｡