干货，关于Nortek设备使用中常见的一些问题 -------小威龙系列 - 声学多普勒流速仪的寿命

鉴于很多客户在使用我司设备时经常遇到一些共性问题，现特进行总结归纳，并给出相应的建议，便于各位老师、专家更好的使用设备。这篇文章主要针对实验室用小威龙（Vectrino）设备进行相关问题的归纳，其他系列的设备在后续的文章中会逐步推出。作为实验室用三维流速测量仪，小威龙流速仪广泛应用于各类实验室水槽，包括造流造波水槽、物理模型等，是水文、水动力实验室的标配产品。根据多年的技术支持经验，我们发现大多数客户在使用小威龙时经常会遇到的共性问题主要包括：设备无法连接、数据质量差和其他常见问题等。

简易使用说明

首先对小威龙的使用方法进行简易说明。对于大多数熟悉小威龙的老师、工程师和同学等可自行跳过该节。首次连接Nortek设备的电脑需安装RS232—USB驱动（Nortek专用U盘附带）和Vectrino plus软件。安装完成后，连接设备并供电后打开配置软件（Vectrino plus）。

通信连接

选择 ”Communication-serial port”点击serial port菜单的下拉按钮选择非com1的com口即可（再次连接时不需要选择，软件默认选择上次已选择的com口），其他选择默认设置即可，然后点击OK。选择 ” Communication-TerminalEmulator”点击“send break”检测仪器的连接状态，正常通信状态会返回如下图所示。

, x/ l( R2 \* q9 y8 S" t: V- [& d. b

数据采集

; q& y% S1 ^* P3 i

开始数据采集之前，需进行设备的使用方式进行配置，点击”Data collection-Edit Configuration”或者出现如下所示对话框。

5 E& F1 k# u) `' r0 [

; \" m: ^6 r+ g- \. f7 q

采样输出频率(Sampling rate)

标准小威龙的采样输出频率是1～25Hz，高级小威龙的采样输出频率是 1～200Hz。脉冲长度和采样体积可根据水中粒子的浓度，进行调整。当水中粒子浓度比较高时，脉冲长度和采样体积可以设置的小一些，当水比较清时，可以设置的大一些。

流速范围（Nominal velocity range）

& }% u' n3 ?, R4 j1 q5 f% ]

有±0.01,0.1,0.3,1,1,4m/s，测量时选择与实际流速比较接近的，比如实际流速是 0.4m/s，可以选择 1m/s 的流速范围。

脉冲长度(Transmit length)

) Q3 L2 J! ]! d* Z$ h/ M

增大脉冲长度可以提高信噪比。可以通过减小脉冲长度来减小采样体积和/或者更接近边壁。采样体积

采样体积(Sampling vol)

: G5 ?! `3 u& @ q |/ P; G% C" d

指采样区域的高度，当减小采样体积时，用来估算流速的采样数也减少了。减小采样体积会降低测量精度。

4 y- s2 P6 T, _/ w- f9 I! D+ i

电源水平(Power level)

& ~+ U2 v+ S$ c

电源水平的设置可以改变仪器发射到水中的声波的强度，电源水平最高与最低之间相差7db

$ }8 d! R) K/ o. z, ^- r5 d

坐标系(Coordinate)

1 m) X$ b% ~# [8 W

有 Beam 和 XYZ 两种坐标系。Beam 沿着探头传感器的方向，与垂直方向有 15 度夹角。XYZ 指测量的数据（Beam）被转换成直角坐标系。坐标系示意图如下所示：

声速(Speed ofsound)

0 R/ A3 s( w& A8 v

声速可以由用户设定（固定）或者由仪器根据测到的温度和由用户输入的盐度计算得到。淡水中的盐度是0，海水中的盐度是 35。

数据记录

点击或者在Configuration的Data recording选项进行数据保存路径的配置。除数据保存路径外其余选项建议使用默认配置方式即可。点击Start或者可以开始记录数据，建议先开始工作再进行数据保存，因为数据的保存和命名是根据开始记录的时间来进行的。 o/ g, P6 a& s* v- v& k9 L* D

( [/ Q9 Z; v) W# M" ?% d/ U

数据转换

数据采集时保存的原始数据为二进制格式，需要对数据文件进行格式转换。通过点击”Data Collection—Data Conversion”或者进行数据转换。 7 X7 I: f- j7 B4 X; R' q1 M5 T

点击“Add file”,选择相应的文件（数据文件后缀为.vno）,再点对话框中中间的转换按钮，其它选项默认即可，点击ok后会生成相应的数据文件，其中.hdr格式文件为表头文件，可查看数据格式相应的解析。建议使用excil、matlab或者Notepad等程序查看数据文件。 / A. v3 X) h5 F( _7 @- d

1 q2 @. N# u: c

无法连接

根据多年的经验，在设备正常的情况下，小威龙出现无法连接的情况主要是由于下述几个问题所导致。供电 % m8 Z9 F/ v6 e6 _& _

首先需要确定设备已正常供电，建议一定要使用设备标配的电源适配器，如果自行配置需注意适配器的规格为（24v，3A）。可使用万能表测试电压。

3 Y* M; M; I% I# E7 u" i

usb串口线 + a6 f6 F0 [2 J8 F. o6 c

确定USB串口线是否连接正常，驱动是否安装，建议使用Nortek标配的USB转串口线，市场中其他品牌的转串口线经常会出现通讯异常的情况。

: S9 V; H6 o) o. {# }1 V+ b6 e4 y

驱动安装检测可通过选择‘右键我的电脑（计算机）-单击属性-设备管理器-端口’，出现下图所示情况即为正常状态。

未停止工作

当供电和串口都正常的情况下仍然无法正常连接，可打开‘Communication-Terminal Emulator’查看是否有乱码返回，如果有持续的乱码返回则表明设备正常工作，数据流太大导致命令无法发送给设备。遇到这种情况建议使用有串口的台式计算机直接连接设备，不使用USB转串口，然后再进行设备连接，正常情况下即可连接设备。如果没有带串口的电脑，可尝试在命令窗口连续多次点击“send break”停止工作。

3 k# a2 D& C; t

注：每次使用设备时，断电前一定要停止工作（点击），否则很容易出现上述状况。

: k* W/ g* Q$ [/ R4 N. A

如果设备没有存在上述问题仍然无法连接，请直接联系Nortek工程师进行解决。

& G7 s* _" \, e3 W& V. Q" z5 @

数据质量

如何判断数据质量

在调整和改善流速数据质量之前，先要对流速数据质量进行判断。数据质量的判断首先根据三维流速本身的稳定性，因为大多数水槽在造流或者造波时流速变化存在一定规律，如果流速曲线平滑、大小符合实验水况，可认为流速数据质量较好。如果在水体流动没有规律的情况下可结合相关性、回声强度、信噪比这几个参数进行数据质量判断。下图（上）所示为数据质量很好的测量结果，其中流速曲线平滑，同时SNR>20,Correlation>90%。下图（下）所示为数据质量很差的测量结果，其中流速曲线失真，存在大量的毛刺，同时SNR和Correlation都很低。

' j4 |6 ?& g1 M$ ?

参数说明：

SNR：信噪比，它是一个数据质量指标。一般来说，越高越好。对于典型条件下的Vectrino，它应该在12-20 dB范围内。

& C6 s; B4 }# E( U% m. n0 h

计算公式：SNR=20*log10(Amplitude_signal/Amplitude_noise)

其中：Amplitude_signal:回声强度；Amplitude_noise：回声强度噪音

Amplitude：回声强度，显示每一束测量单元经过滤波的信号强度。这些值通常与声束信号强度有关，与速度坐标系无关。对于典型条件下的Vectrino，它应该在120-200 dB范围内。

Correlation：相关性，为回声强度的自相关函数的归一化程度，显示每个换能器的声学信号相关系数的滤波值。这些值以百分数表示，100表示完全相关。通常超过85%数据比较稳定，建议实际使用时结合SNR、Amplitude共同判断数据质量。

- _: J" K7 ]) {. c% c

计算公式：

2 k% g; t% g; M v0 \

Correlation= Magnitude (P) / (magnitude (Z1) * magnitude (Z2))

" b8 N( |% U7 E. L7 X9 Q9 }

Z1= I1 + iQ1 for ping 1 ；

Z2= I2 + iQ2 for ping 2；

3 T6 f2 T- L% w4 P u+ k- d/ M

P= Z2 * Z1* (Z2 times the complex conjugate of Z1)

相关网址：

' Z& I0 G) {" C6 G" h

https://www.nortekgroup.com/faq/how-is-the-amplitude-db-and-correlation-calculated

http://www.nortek.no/en/knowledge-center/forum/velocimeters/109961282?b_start=0#407480772

水质

水至清，是使用声学测流设备最致命的“杀手”。因为采用声学原理测流是通过声学多普勒原理测量水体中粒子的流动速度来获取水体的运动速度。如果水太清澈，没有粒子则会导致无法测量水体流动速度。尤其对于实验室用水槽主要采用自来水填充水槽，但自来水中粒子含量很低，因此需要在水体中增加粒子来提高测量精度。通常建议添加粒径为几十纳目（即几十至两百左右微米）的粒子溶液，包括Nortek出厂自带的玻璃微珠（可淘宝购买相应的溶液）、咖啡渣、泥沙等。下图为同样造波条件下添加粒子之前和之后的流速测量结果，测量结果显著提升。 / z( W: Q3 D( p9 j

对于一些有泥沙沉降的水槽，建议将开动水槽搅浑水体后再进行流速测量。 % p' Q! \2 {+ M. z4 h1 y

流速范围

流速测量范围的设置，流速范围大于实际最大流速，同时越接近越好。注：流速范围的确定可通过Configuration界面查看，如下图所示，当流速范围设定为0.3m/s时，垂向流速的测量范围为±0.27m/s，水平流速测量范围为±0.94m/s，该值为准确值。

探头位置

# v) e8 ^4 J5 a5 o, B- L( T6 d+ z' Q

测量点

下图所示为小威龙系列产品不同类型探头的测量原理图（下视、侧视），测量点均位于中心探头以下5cm处，但测量点为一个3-15mm高的水柱，因此在布放设备时需要注意中心探头距底（边壁）的距离要大于6.5cm，以保证测量时不会受到干扰。 3 g% B. G t8 I( d2 a* P+ O

Weak spots

Weak spots即为脉冲干扰，由于小威龙同时发射两个ping，在边界测量时这两个ping在一定的距底（边壁）距离下会出现脉冲干扰，导致出现Weak spots现象，流速数据会混乱。下表为小威龙不同测流范围下Weak spots出现的位置。因此在布放时要主要避免将探头放置在Weak spot处。（注，weak spot是一个大概值，仅供参考）

Velocity  Range [m/s]

- d, w5 U+ ]4 q( g) q# |

Weak  spot [cm]

4

2  and 5

: d# ^; K$ H) B$ N

2.5

2 l! e7 b# p8 r; R

3  and 10

1 6 E9 {" U* L4 ~" T! t' [1 ^

5  and 12

0.3

10  and 23

0.1

23  and 45

0.03

38  and 75

流速仪布放方式：

首先要保证流速仪固定结实，避免在测流时出现设备的自身运动。设备出现自身运动时会导致数据质量下降，测流结果不准确。其次，在固定流速仪时尽量避免设备直接与金属接触，以降低静电干扰。 % D. i/ B+ d. k0 [

探头检测

点击“Data Collection—Probe Check”，开始测深探头。点击“Data Collection—Stop datacollection”或者，停止测试。该功能可以保证测量质量，优化数据采集，也可以用来诊断仪器工作是否正常。如图所示，A 指发生声波强度，B 指从采样点反射回来的声波强度，C 指从边壁反射回来的信号强度。其中 Amplitude 每个数值对应信号强度为 0.45dB。因为采样点距离探头中心 5cm，所以正常情况应该如图所示，在 50mm 处有信号波峰。

: v, n+ J4 B7 k

其他注意事项

探头清洗：在浓度较大或者高盐度水体中测试完之后务必要对探头进行淡水清洗后再保存，否则会影响探头的使用寿命。插接头插拔方式：插拔12针连接口时一定要垂直插拔，不要旋转，倾斜。同时在锁紧锁盖时避免使用太大的力量。否则可能会造成下图所示的结果。 9 m0 P' z. W# A' N1 I

如有遇到其他问题请直接联系诺泰克工程师，欢迎各位老师、专家提出宝贵意见和建议。

. @" y" p8 e- h+ S) v' [ * ?/ ^* H5 o" @. A5 q$ V " O" i6 N/ y% M0 ? ; T8 H( Y- C5 t/ y/ t9 y+ l