基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置

摘要

本发明公开了一种基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置，包括：超声波发射装置、超声波接收装置和上位机，其中，所述超声波发射装置和超声波接收装置均与上位机连接，所述超声波发射装置设置于冰面上，所述超声波接收装置设置于冰面上且沿河水流动方向与所述超声波发射装置间隔设置，所述上位机用于接收所述超声波接收装置发送来的超声波回声信号，并利用多普勒频移测速原理计算出冰下河水流速。该基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置，结构简单，适用于含杂质颗粒较多的水质，测量精度高，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及水流速测量技术领域，特别提供了一种基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置。

背景技术

随着我国经济社会的发展，河流综合利用逐渐成为重要的研究课题，水文信息与航运、水利、生态等部门息息相关，而流速作为一项重要的水文情报，其准确测量对水文信息的准确性至关重要。流速仪是测量流速的仪器，被广泛应用于专业水利水文研究流速测量的单位中。

测量河水流速的方法有很多，悬桨流速测量法和传播速度差法运用较广泛。其中，悬桨测量法是将测量装置探入水下，虽然可以测得各深度的流速，但受环境影响较大，我国东北气候寒冷，在结冰之后运用悬桨测量法需要破冰，耗费大量的成本和人力；传播速度差法是向冰面发射超声波，用换能器接收反射回的信号，通过超声波顺流和逆流的速度差求得河水流速，虽然结构简单，但超声波传播与水流速度差距极大，对超声传播速度测量精度要求很高。

因此，研制一种具有较高精度且不易受天气环境等因素影响的冰下河水流速测量装置，成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置，以解决现有河水流速测量装置难以在冰面上准确测量的问题。

本发明提供了一种基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置，包括：超声波发射装置、超声波接收装置和上位机，其中，所述超声波发射装置和超声波接收装置均与上位机连接，所述超声波发射装置设置于冰面上，用于接收上位机的信号并向冰下发射超声波，所述超声波接收装置设置于冰面上且沿河水流动方向与所述超声波发射装置间隔设置，用于接收超声波回声信号并发送至所述上位机，所述上位机用于接收所述超声波接收装置发送来的超声波回声信号，并利用多普勒频移测速原理计算出冰下河水流速。

优选，所述超声波发射装置包括依次连接的方波信号发生模块、隔离驱动电路、半桥发射电路和发射换能器，所述发射换能器置于冰面上，所述超声波接收装置包括依次连接的接收换能器、带通滤波电路、信号保护电路、信号放大电路、模数转换器和单片机，所述接收换能器置于冰面上，所述单片机与所述上位机连接。

进一步优选，所述方波信号发生模块采用4.8MHz晶振和CD4060分频电路产生300kHz方波，接入CD4069反相器电路，用于输出两路互补的PWM方波信号。

进一步优选，所述隔离驱动电路为基于IR2113芯片的隔离驱动电路，用于对所述方波信号发生模块输出的方波进行强弱电隔离，并驱动所述半桥发射电路中的场效应管。

进一步优选，所述半桥发射电路采用500V耐压的N沟道场效应管IRF460作为功率开关器件。

进一步优选，所述带通滤波电路包括OPA1652运算放大芯片。

进一步优选，所述信号保护电路包括两个反接的齐纳二极管。

进一步优选，所述模数转换器采用高精度24位数模转换芯片ADS1256。

进一步优选，所述单片机为STM32F407ZGT6单片机。

进一步优选，所述上位机通过串口通讯模块与单片机连接。

本发明提供的基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置的理论基础是多普勒频移法，布置在冰面上的超声波发射装置连续发射一定频率的超声波，由于多普勒效应的存在，随水流以速度v运动的微粒接收到的超声波频率为f

本发明提供的基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置，可以实现冰下河水流速的测量，具体地：在冰面上沿河水流动方向间隔布置超声波发射装置和超声波接收装置，超声波发射装置用于向冰下发射超声波，超声波接收装置用于接收经水中运动微粒反射后的回声信号，上位机用于利用多普勒频移测速原理，计算水中微粒的运动速度，即：河水流速。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明提供的基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置的结构框图；

图2为本发明提供的基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置在检测过程中的布设位置图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施方案对本发明专利进行进一步的解释，但不局限本发明专利。

如图1、图2所示，本发明提供了一种基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置，包括：超声波发射装置1、超声波接收装置2和上位机3，其中，所述超声波发射装置1和超声波接收装置2均与上位机3连接，所述超声波发射装置1设置于冰面上，用于接收上位机3的信号并向冰下发射超声波，所述超声波接收装置2设置于冰面上且沿河水流动方向与所述超声波发射装置1间隔设置，用于接收超声波回声信号并发送至所述上位机3，所述上位机3用于接收所述超声波接收装置2发送来的超声波回声信号，并利用多普勒频移测速原理计算出冰下河水流速。

该基于超声波多普勒法的冰下河水流速测量装置，可以实现冰下河水流速的测量，具体地：在冰面上沿河水流动方向间隔布置超声波发射装置和超声波接收装置，超声波发射装置用于向冰下发射超声波，超声波接收装置用于接收经水中运动微粒反射后的回声信号，上位机用于利用多普勒频移测速原理，计算水中微粒的运动速度，即：河水流速。

其中，利用多普勒频移测速原理计算冰下河水流速具体如下：

利用如下公式计算冰下河水流速

式中，c为超声波在水中的传播速度，Δf为多普勒频移，

作为技术方案的改进，如图1所示，所述超声波发射装置1包括依次连接的方波信号发生模块11、隔离驱动电路12、半桥发射电路13和发射换能器14，所述发射换能器14置于冰面上，所述超声波接收装置2包括依次连接的接收换能器21、带通滤波电路22、信号保护电路23、信号放大电路24、模数转换器25和单片机26，所述接收换能器21置于冰面上，所述单片机26与所述上位机3连接。

作为技术方案的改进，所述方波信号发生模块11采用4.8MHz晶振和CD4060分频电路产生300kHz方波，接入CD4069反相器电路，用于输出两路互补的PWM方波信号。

作为技术方案的改进，所述隔离驱动电路12为基于IR2113芯片的隔离驱动电路，用于对所述方波信号发生模块11输出的方波进行强弱电隔离，并驱动所述半桥发射电路13中的场效应管。

作为技术方案的改进，所述半桥发射电路13采用500V耐压的N沟道场效应管IRF460作为功率开关器件。

作为技术方案的改进，所述带通滤波电路22包括OPA1652运算放大芯片。

作为技术方案的改进，所述信号保护电路23包括两个反接的齐纳二极管，其中，所述带通滤波电路的两个输出端连接在所述两个反接的齐纳二极管上。

作为技术方案的改进，所述模数转换器25采用高精度24位数模转换芯片ADS1256。

作为技术方案的改进，所述单片机26为STM32F407ZGT6单片机。

作为技术方案的改进，所述上位机3通过串口通讯模块与单片机26连接。

本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。

上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。