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超声波气流速度传感器


这个项目,一个 超声波气流速度传感器 from 1993年,展示了如何在非常短的距离上使用超声波声波来测量空气流量。

这具有利用低功率的优点,与基于温度降低的风速计,能够测量非常低的空气速度,类似于基于温度的设备,但比机械风速计更准确

超声波空气流速传感器的执行摘要

超声换能器包括安装在支撑柱上的压电材料膜。两个重叠金属箔电极分别与膜的两个相对表面相密接触,并且相应的电引线连接到每个电极。

超声波空气流速传感器的背景

这种设计涉及超声波换能器。

目前市场上有两种能够测量空气流量的速度的两种基本仪器。

第一种类型的仪器有一个"fan"它在风中旋转并进行光学耦合或"Hall Effect"耦合到计数器,该计数器计算旋转并将结果显示为空气流速。然而,这些装置具有明显的惯性和对运动的抵抗力并且具有足够的尺寸,使得它们导致它们正在尝试测量的空气流动的显着偏转。因此,它们非常不准确,特别是在低空气流速下。

第二种类型的仪器使用加热元件,该加热元件将其加热到认识的固定温度,并且当元件暴露于空气流时,仪器计算保持已知的固定温度所需的功率。所需的力量与空气流速有关。这种类型的仪器对空气运动非常敏感,但它不是非常准确的并且具有高功耗。

超声波空气流速传感器概述

本发明的目的是提供一种用于测量空气流速的装置,该装置允许这些缺点被减轻。

根据本发明的设计,提供了一种用于测量空气流速的装置,包括声音发射器和安装间隔开的声波检测器,用于插入空气流动,这意味着使发射器传输至少一个声音的声音朝向检测器,以及用于导出空气流速度的装置作为突发到达检测器的时间的函数。

优选地,发射器和检测器包括安装在便携式手持式壳体外部的各个超声换能器。

在该设计的实施例中,该装置在发射器和检测器之间具有反馈电路,该检测器可操作以触发发射器以响应于检测器处先前声音突发的检测而传输进一步的声音突发,使得单个初始初始由发射机发送的突发产生一系列后突发,并且其中用于导出空气流速的速度的装置包括用于计算在预定时间段中检测到的突发的数量的装置。

在优选实施例中,计数突发的时间段是一秒钟。

由发射器发送的突发优选地是超声波频率,即表示大于35kHz,以避免在声学频率下从环境噪声中干扰。优选地,突发的频率是100kHz。

发射器和检测器优选地具有非常低的Q,其约为1,以允许许多非常短的定义突发的传输和检测,例如持续时间为每秒5000或更多秒钟(40微秒)。这允许发射器和检测器相当靠近,例如分开0.1米或更小,因为然后发射器将在触发以发送接下来之前在触发之前进行一次突发,因此突发在探测器处清楚地区分。

发射器和检测器可以具有更高的Q,但是这导致振铃和较少的定义开始和完成到每个突发,使得发射器和检测器必须进一步分开以确保在检测器处可靠地检测到每个单独的突发。这在设计的范围内,但是小的发射器/检测器间隙是优选的,因为它允许将设备作为非常紧凑的便携式手持设备构建。

优选地,每个换能器包括分别具有两个至少部分重叠电极的压电材料膜,其两个相对的两个相对表面中的每一个相密接触,膜安装在支撑构件上。这些可以构造成具有低Q,正是对于这种设计是优选的。

这种压电薄膜换能器在用于测量空气流速以外的应用中具有效用,因此构成了独立的设计。

传统的陶瓷超声换能器可以在这种设计中使用,但由于这些具有更高的Q,它们将需要至少0.2米的发射器/检测器间隔。


图1是根据本发明的装置的实施例的外部视图,构造为用于超声波空气流速传感器的手持装置



超声波空气流速传感器的描述

参考图1。如图1所示,外部该装置包括从顶部的便携式手持式壳体10,其分别突出两个支撑构件11和12分别承载超声换能器13和14。换能器13是超声波发射器,换能器14是超声波检测器。

它们分开0.1米(约4英寸)。下面将描述优选地具有非常低的Q的换能器,如靠近一个,以及它们的结构。

壳体10的前表面具有开关开关15,以及包括多个按钮键16-21的键盘。特别地,存在自动键16,校准键17和开始或转向键18.这些键控制设备的操作模式,如将描述的。

还存在液晶显示器(LCD)31,最终显示空气流速测量的结果。键19至21为显示器提供各种替代格式,例如结,每秒米,每小时数英尺等。


图2是用于超声波空气流速传感器的装置的工作组件的块电路图



现在转到图。如图2所示,该装置的内部电路包括被配置为单稳态的LM555定时器芯片23。如果其复位输入高,则通过其触发输入的每个负极边缘触发单稳态23,以在其Q输出为40 US(40微秒)持续时间的情况下在其Q输出处提供相应的单个输出脉冲。

另一LM555定时器芯片24在这种配置为100kHz门控振荡器的情况下,其复位输入连接到单稳态23的Q输出。从而从单稳态23的每个40 US输出脉冲被应用于复位输入振荡器24,并用于栅极栅极。

振荡器24在其Q输出时提供40 US持续时间的短脉冲振荡,响应于来自单稳态23的每个诸如这些40 US脉冲的Q输出。由于振荡器频率为100kHz,每个突发包括约4个循环。

通过驱动器25将来自振荡器的每个40 US突发施加到超声波发射器13。因此,发射器在0.1米间隙朝向超声波检测器14上透射40 US的超声波突发。

当在检测器14处接收时,在高增益放大器26中放大突发回到电路VCC的5伏的电路VCC,然后传递到包络检测器(泵电路)27,其重建(到目前为止电路降级将允许)原始40美国从单稳态23爆发,并反转它。

该倒脉冲CK沿着反馈线28通过,到由电容器C2和电阻器R1组成的RC电路。该RC电路从信封检测器27的倒脉冲的前导(负数)边缘导出约1 US(1微秒)的短负脉冲,其施加到单位可爱23的触发输入。

如果对单稳态的复位输入仍然很高,则这又触发了来自单稳态23的Q输出的新鲜脉冲,从而重复上述循环。

将观察到,所有时间将复位输入到单稳态23保持高,连续的超声波突发将继续由发射器13发送并由检测器14检测,因为每个突发触发下一个突发的传输。

此外,超声波突发彼此遵循的速率,因此,倒脉冲出现在线28上的速率,其与从发射器13流到检测器14的方向流动的空气速度成比例换能器是静止的。

当然这是因为换能器之间的声音的表观速度是(v + s),其中V是空气流的速度,并且S是静止空气中的声速。

当换能器13和14位于空气流中时,该装置的基本操作原理是测量该速率,换能器14直接在换能器13下游,特别是通过计算通过点P的脉冲CK的数量在固定的预定时间段内的第28行上,在这种情况下一秒。

然后将其与参考编号进行比较,该参考数是在换能器在相同温度的静止空气中位于一个第二时段中的脉冲的数量,如果换能器位于相同温度的静止空气中,则差值表示气流的速度。该装置通过使用热敏电阻探针采样外部空气温度并使用静止空气和温度的声速之间的已知关系确定参考编号来衍生出该参考编号,或者通过在执行校准测量时实际测量参考号仍然空气。

这些操作由编程的微处理器22控制,编程的微处理器22从线路28上的点P和诸如热敏电阻探针的外部空气温度传感器(未示出)的输入,并提供输出以驱动显示器31以及输出启用第29行。

使能线29直接连接到单稳态23的复位输入,使得在使能线29保持低电平的同时,单稳态不能产生上述40个US脉冲。因此,微处理器可以通过升高使能线29一秒钟来定义上面提到的每个一秒计数周期。

此外,使能线通过逆变器30和包括电容器C1和电阻器R1的RC电路连接到单稳态23的触发输入。因此,在使能线29上的每个前导(正面)边缘将首先被反转然后通过RC电路提供短1张美国的负脉冲到单稳态23的触发输入。

这将导致单稳态23在每个一秒计数时段的开始时生成单个40 US脉冲。当然,这是必要的,因为在诸如此时段的滞留之前,可以在使能线29上禁用单稳态,使得每个一秒钟的前40个我们不能通过检测到先前的爆发而触发因为没有。


图3:是存储在微处理器中的控制程序的流程图,其形成图3的块电路图的一部分。 2用于超声波空气流速传感器



现在将参考图4描述装置的操作。图3是在微处理器22中围绕的控制程序的主要步骤的流程图。

在开机时(开关开关15,图1)初始化微处理器初始化,包括设置使能线29低,步骤40。

接下来,在步骤42中,在步骤42中,将外部环境温度进行采样,步骤41。如果装置如上所述在热敏电阻探针的温度下的换能器13和14中的换向器13和14进行操作。

该数量由换能器13和14的分离(0.1)米的分离(0.1)米唯一地定义,并且在有关温度下静止空气中的声音速度,因为在静止空气和温度的声速之间存在已知的关系。可以从存储在微处理器内部存储的查找表中获得参考编号,对应于已经预先计算的不同温度的参考编号的不同值。

事实上,在换能器之间的间隙为0.1米的情况下,参考号将是静止空气的声音速度的十倍,在每秒以米为单位,在有关的温度下。

参考编号在步骤43中存储在内部寄存器(寄存器A)中。

现在,在步骤44中,轮询了自动按钮16(图1)以查看当前是否按下。如果它不是校准按钮18同样在步骤45中轮询,如果也没有按下,在步骤46中也没有按下GO按钮17.如果未按下GO按钮,则程序循环回到温度传感步骤41 。

因此,虽然所有的虽然没有自动,校准和去按钮,所以循环循环循环步骤41至46,每次根据环境温度的改变更新存储的参考号。

如果我们现在假设按下AUTO按钮,程序将分支到步骤47,并将标志(标志2)设置为"AUTO"。现在,程序在步骤48中等待200ms(200毫秒),以允许任何可能通过按下按钮消失的瞬态。

在200ms等待之后,在步骤49,程序将启用线29高,同时启动内部计时器以测量一秒时段。如前所述,将使能线29高位使得单稳态23能够产生40个US脉冲,并且进一步的使能线29的前缘高将导致单稳态23通过逆变器30产生初始诸如诸如初始诸如诸如逆变器30的初始误差。 RC电路。

一旦生成了第一脉冲并且由换能器13传输的超声波的相应突发,通过检测器14检测这种突发将由单稳态23和第二脉冲触发第二脉冲,并且如前所述描述。因此,所有虽然单稳态23的复位输入仍然是超声波的高级突发将以速度在换能器之间的间隙以取决于间隙的空气流速的速度,并且来自包络检测电路27的反相脉冲CK以相同的速率将点P传递在线28。

线28上的脉冲CK在控制程序的步骤50至52中计数。在步骤50中,微处理器等待线路28上的脉冲,并且当检测到一个时,它在步骤51中递增计数器(寄存器R)。然后在步骤52中,看起来看看内部定时器是否已经测量了一秒钟。如果不是程序循环返回步骤50.程序周期在此循环中循环,直到内部计时器显示一秒已经过。

在一秒钟结束时,程序进入步骤53,在那里它将启用线29放置在那里。这将通过将复位输入降低到单稳态23来停止突发和脉冲的进一步生成和循环。然后在寄存器R中的计数是已经通过点P的脉冲的总数,因此超声波的突发突发的数量已经通过换能器13和14之间的0.1米的间隙,在前面的一个第二间隔中。

对于0.1米的换能器间隙,寄存器R中的数量将是相对于换能器的声音速度(以米为单位)的数量,这必须在移动空气中与换能器下游的换能器14保持静止13用于采取正确的测量。

现在,在步骤54中,程序测试标志2是否设置为"AUTO"。由于在步骤47中设置了如此,程序移动到步骤55,其中从存储在寄存器R中的当前号码中减去存储在寄存器A中的附图标记(步骤43)。结果是空气速度的十倍流过换能器间隙,以米为单位。

这结果被转换为适当的格式,例如,结,每小时数英里,并且在步骤57中显示在LCD 31上。十个简单的分裂将使空气流量为每秒以米为单位。

现在,程序循环回到步骤41,步骤70,其中重置标志2,并且提供了自动按钮再次通过整个过程周期,从而重复更新存储在寄存器A中的附图标号并测量当前的空气流量。速度。

这描述了在自动模式下操作的装置,所谓的,因为它不需要在静止空气中进行任何校准测量。现在将描述需要校准的手动模式。

现在假设当程序周期通过步骤41至46尚未被按下自动按钮,或者已释放,并且按下校准按钮。在步骤45将在步骤45中检测到这一点,其中程序分支到步骤58.这里设置为标志(标志1)"CALIBRATE".

现在,通过步骤59至64的程序周期与已经描述的步骤48至53相同,具有一个差异。在线28上的点P处计数的脉冲CK存储在步骤62中的单独寄存器M中,而不是在自动模式中使用寄存器R。

因此,在步骤64的末尾,在寄存器M中具有在寄存器M中,该参考编号是在第一秒钟内紧接在线28上的点P处检测到的反相脉冲CK的数量。这被称为参考编号,因为校准以准确地,必须在与其希望测量速度的速度相同的温度的静止温度下进行。

假设这是这种情况。如前所述,对于0.1米的换能器间隙,寄存器M中的附图标记将是静止温度在静止空气中的声音速度的十倍。

现在程序移动到步骤46,如果按下了GO按钮,则会看到。假设是,步骤65测试标志1以设置为"CALIBRATE"并且,由于程序已经重复先前描述的所有步骤48至53。当然,假设现在已经按下了GO按钮,直到换能器插入要测量的空气流中。

因此,在步骤53之后,如前所述,在寄存器R中的计数如前所述,已经通过点P的脉冲CK的总数,并且因此已经通过换能器13之间的0.1米的间隙的超声波突发的数量。 14,在前面的一个第二间隔中。这将是超声波突发的每秒相对于固定换能器的每秒速度的十倍。

接下来在步骤54中,程序再次测试标志2进行设置"AUTO". This time it isn't,因为标志在步骤70重置,或者如果自动按钮没有设置'由于电源开启,因此程序移动到步骤56,其中它从存储在寄存器R中存储的当前号码中减去存储在寄存器M的附图标记(步骤62)。

结果是换能器间隙速度流动速度的十倍,以米为单位。同样,此结果将转换为适当的格式并在步骤57中在LCD 31上显示。

可以看出,在步骤46中,如果程序检测到已经按下了GO按钮,然后在步骤65中找到,则标志1尚未设置为"CALIBRATE",指示未执行校准,程序被强制返回步骤41.这可确保在手动模式下必须在Go按钮之前按下校准按钮以具有任何效果。

这完成了手动模式,并且在步骤57后,程序循环再次回到步骤41,准备其他自动模式测量,或其他手动模式测量。

它将被观察到,电源后,程序可以在自动和手动模式之间切换。因此,存储在寄存器A中的附图标准(步骤43)始终保持电流,控制程序是否简单地围绕步骤41至46循环,或执行手动模式校准或移动空气测量。

因此,即使在校准之后,也可以在任何时间进行自动模式测量。类似地,一旦进行了校准,保留了存储在寄存器M中的相应附图标记,并且始终可用于通过新的校准测量更新,即使在校准后立即按下AUT AUTON按钮而不是GO按钮。


图4A:是图1的一个换能器的透视图。 1和通过换能器的横截面,用于超声波空气流速传感器




图4B:是图1的一个换能器的透视图。 1和通过换能器的横截面,用于超声波空气流速传感器



现在参考图1。图4A和图4A。如图4B所示,每个换能器13和14设置在圆形横截面刚性塑料材料的相应支撑柱11或12上,并且包括通过福克斯示例,双侧胶带71固定在柱上的压电膜的带70.压电薄膜70在每侧金属化,并且可以在名称下销售"KYNAR Piezo Film"由Pennwalt Pietro影片有限公司,Hillend Industry Park,Dunfermline,Fife,苏格兰。双面胶带71可以在名称下销售"Sellotape".

柱11或12的直径约为3mm,压电条在柱的垂直方向上宽约3mm。薄膜70延伸至少约180度的柱子,如图1和2所示。 4a和4b。示出了条带70在柱周围设定到浅周向凹部75中,但这不是必需的。

圆形凹部72可以设置在压电膜70的塔11或12中,条带的条带的中心。凹槽72可以是直径约0.02深,约2mm。凹槽可以填充有空气或弹性阻尼材料。

压电膜70具有两个引线73,其由与膜本身相同的材料形成,从薄膜的相对的窄边缘延伸,以连接到设备的内部电路,一个引线在一个上连接到金属化薄膜的一侧,另一个铅连接到薄膜另一侧的金属化上。

换能器安装在壳体10(图1)上,凹槽72彼此面对。


图5A是图1的每个换能器的替代结构的透视图。 1用于超声波空气流速传感器




图5B:是通过图2的换能器的前部的剖视图。 5A用于超声波空气流速传感器




图5C是图5的换能器的分解图。 5A用于超声波空气流速传感器



现在参考图1。图5A,图图5B和图5B。如图5C所示,根据图5C的替代结构。如图4A和4B所示,每个换能器13和14设置在刚性塑料材料的相应支撑柱11或12上。柱11或12是具有凸起前部80的机翼状横截面,在这种情况下是基本上半圆的,并且锥形后部81。

换能器适当地包括压电膜82,压电膜82具有与其两个相对表面中的每一个相应的金属电极83和84的相应接触。电极83和84与膜82不共同宽,但每个电极83和84都与膜82相加,但每个电极83和84都与相应的相应延伸膜82的两个横向边缘85到薄膜的中心区域86,其中它与另一箔电极重叠。

层压板82/83/84围绕塔11或12的半圆形前部80安装,并且在窄的弹性阻尼材料87上保持张力,其安装在前部80的中心。特别地,通过双面胶带的条带88首先将层压板固定在柱的一个边缘85到柱的一侧,然后在柱子上挤压在阻尼材料的条带周围,然后固定在另一个边缘85通过另外的双辅助胶带的图88到柱的另一侧。

以这种方式,层压材料在阻尼材料87上张紧,其中叠层的中心重叠区域86立即在条带87的前面。

每个电极83和84具有从塔11或12的边缘85中的相应一个延伸的相应的整体引线89,用于连接到设备的内部电路。压电膜82继续向下,每个引线89以提供每个电极的支撑背衬。

换能器安装在壳体10(图1)上,其中中心重叠区域86彼此面向彼此,即它们的锥形后部81彼此指向。

由压电膜82和电极83和84组成的层压板可以由金属化压电膜制成,例如由Pennwalt Piezo Mill Limited的名称Kynar销售,Hillend工业园区,Dunfermline,Fife,Scotland。 Kynar通常是压电薄膜,通常是28或52微米的厚,其在每一侧金属化至约6微米的厚度,通常用铜,金或银。

通过选择性地蚀刻在刺粉膜的每一侧的金属化物中来形成电极83和84,以使两个重叠的电极83和84用整体引线89离开。

双面胶带88可以在名称SakeTope下销售。阻尼材料87可以是厚的单面胶带,也销售在Sellotape的名称下。

当换能器用作超声波发射器时,在电极89上施加超声波频率的AC电压。这导致压电膜82的机械振荡,主要是在重叠区域86中。当换能器用作超声波检测器振动时通过外部声波的压电膜82将诱导电极89上的相应电压。

换能器的最大频率响应取决于柱11或12的凸前部80上的距离d。在当前情况下,距离D为3mm,给出250kHz的最大频率响应。换能器的Q取决于层压材料82/83/84中的张力和阻尼材料87的弹性程度。

如果需要,代替使用阻尼材料条87,如图2所示。图4可以在重叠区域86的塔11或12中提供浅凹槽,并且凹槽可以填充有阻尼材料。在这种情况下,层压材料82/83/84在凹槽上张紧。

我们已经发现,换能器通常如上述罐构成,由参数的适当选择所提到的,被设计为具有非常低的Q,一个数量级的,从而允许换能器间隙是低至0.1米或更小。

此外,发现如上所述构造的换能器具有产生在装置附近的空气流速的读数的能力。这是因为发射器产生碟形波前,其在朝向检测器上行进时膨胀。如果空气在换能器的每一侧以不同的速度移动,则是由检测器检测到的部件的波前的中心倾向于在任一侧的空气的速度的平均值上移动。

然而,如引用中所述,传统的超声换能器可以在设计中使用,但是这些不能用非常低的Q获得,换能器的距离可能需要增加。或者,可以减少由单稳态23定义的振荡器循环的数量,但是这是两个,但这需要额外的电路来适当地限定和检测这些可靠性。


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