HG-1风洞高精度超声波风速测量装置设计(3)
超声波流量计的主要测量方法有传播速度差法、多普勒效应法、波束偏移法和相关法等等[8]。采用超声波进行气体流速测量时主要有三种方法：时差法、多普勒法和涡街风速测量法[9][18]。
1)时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速的方法[10]，是目前应用最广泛的超声波测速方法。根据时差表现形式不同时差法可以分为直接时差法、频差法和相位差法。直接时差法适用于大、中口径管道及敞开水道中流量的测量，但该方法精度受温度影响较大。频差法是循环多次的直接法，其精度是直接时差法的循环次数倍，适用于中、小口径管道，优点是精度高，受温度影响较小，缺点是受环境影响大。相位差法是将时间差转换为相位进行测量[11]。构建时差法超声波测速系统，主要器件为超声波发射器和接收器、放大电路、数据采集电路、数据处理平台等。超声波的功率、系统时钟的频率、空气温度等都将影响测量的精度。
2)多普勒法[12]是根据声学多普勒效应测量流体速度的方法。由多普勒效应可知，当声源和观察者之间存在相对运动时，观察者所感受到的声波频率与声源所发出的声波频率不同，观察者和声源间的相对移动速度越快，频率的变化越大[16]。利用多普勒效应测量流速时要求被测流体中必须存在足够多的、具有反射能力的悬浮颗粒或气泡，得到的信号强度才能够使仪表正常工作。因此，该方法的应用受到了一定的限制。主要应用于精度要求不高、含有固体颗粒及杂质比较多的场合，在比较洁净的流体中就难以发挥作用[3][24]。
3)涡街风速测量法利用Karman涡街理论测量风速，采用超声波相位解调方式检测Karman涡街的交替流速变化。此种方法只适用于测量管道气体流速，在开放式空间进行风速测量时有一定的局限性[9][15]。
与传统测量方法相比，超声波测量方法适用范围广，测量范围宽，且测量设备结构简单，对所测流场无明显影响，无需对流体管道进行改造。
1.4超声波测速的发展
1.5本文主要工作
本文基于时差法设计了一套高精度超声波风速测量装置，通过理论分析计算和实验验证的方法对该装置用于风速测量的可行性进行了研究，主要进行了以下几个方面的工作：
1）根据选择的硬件设备和超声波换能器进行超声波测速装置设计计算，为装置的设计提供参考；
2）搭建超声测速装置，并在风洞中对其可行性进行实验；
3）换用不同频率的超声波，探究频率对测量精度的影响；
4）分析处理实验数据，计算误差，对测量装置进行评估。
2.时差法超声测速系统设计
本文的研究对象为高精度超声波风速测量装置。首先需了解时差法超声测速原理，选择合适测量方法，合适的超声波发送、接收与数据处理设备。然后根据所选用的方法、设备及实验环境，设计超声波风速测量装置并进行可行性验证。
2.1 时差法超声测速原理
按测量原理分类，超声波测速的方法主要有：传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法等，由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速，故这些方法又统称为传播速度差法[14]。
传播速度差法的原理是超声波在流体中传播，其传播方向与流体的流向顺流或逆流时，其传播速度不同（存在速度差），由速度差得出流体流速（图1.1）。本文选择时差法作为超声波风速测量装置的设计原理。