利用声学多普勒测量的低成本、低功耗水流速度传感器 - 声学多普勒流速仪组成

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文| 史与春秋

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编辑 |史与春秋

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●○前言○●

雨水、废水和地表水的速度是一个基本参数，需要持续监测以估计排放量并进行进一步分析，例如污染负荷估计，流量和水质建模，以及废水中病原体浓度的标准化。

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市场上用于测量雨水和废水系统中水流速度的电流传感器价格昂贵，功率大，不能作为开源或开放硬件免费提供，和/或需要大量的准备和开销来设置和维护。

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这种传感器对于研究和水操作是不可行的，因为研究和水操作的目的是收集更高的空间分辨率数据，进一步提高水模型的准确性和下水道监测程序的性能。

低成本速度传感器的其他驱动因素包括现有流量测量站的改进，这些测量站仅依赖于级放电关系，其中流量额定值曲线的确定和更新既昂贵又耗时，并且通常需要对极端事件进行外推。

●○多普勒频移技术○●

相反，低成本的速度传感器可以允许永久安装，以收集连续和实时的速度数据，以获得更准确的排放信息;如果成本真正低，则可以在流的横截面上进行连续和同步的测量。

对于新的低成本、低功耗速度传感器，已经探索了广泛的技术，包括飞行时间测量、多普勒频移技术和速度相关力传感。

多普勒频移技术已在中进行了探索，的作者证明了使用基于雷达的传感器和新颖的传感器数据处理算法来提取该表面速度的非接触式测量表面速度的可行性。

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作者专注于演示该技术作为一种准确且低成本的测量表面速度的方法，而不是将该原理实施到现场就绪的独立传感器中。

作者确定了利用可见光作为载波进行基于多普勒的速度测量的潜力，它进一步发展了信号处理方法，并为在低成本速度传感器中使用可见光提供了实验验证，同样，更多的重点是演示该原理，而不是在可部署传感器中的实现。

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提出了低成本接触式和非接触式传感器，接触式和非接触式传感器都经过测试，可精确测量水流速度，接触式传感器使用霍尔效应装置来测量位于水中的风车的转速。

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非接触式传感器使用来自数码相机的视频来检测粒子图像测速中表面特征的运动，这些方法虽然准确，但最终不适合长期监测应用。

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对于接触式传感器，移动的风车会堵塞并需要维护，而粒子图像测速技术需要大量的计算资源，导致高功耗和笨重的安装。

基于航空粒子图像测速法的和基于超声飞行时间法的提出了其他速度方法，这些需要明渠和可见流，用于利用遥控飞机或全管道流动的昂贵但新颖的方法，虽然这些是测量速度的新方法，但它们不适用于较小规模的地下雨水和卫生下水道系统。

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本研究有三个主要目标：（1）开发包括电路和传感器外壳在内的低成本传感器架构，（2）开发传感器数据处理算法，以及（3）验证传感器在典型安装场景中的性能，传感器设计文件和固件在开放硬件许可下免费提供，以允许读者构建和修改传感器设计。

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●○材料与方法○●

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提供了传感器设计和设计选择的详细说明，在此之后，进行功率测试以测量传感器在各种操作模式下的电流消耗并验证其低功耗状态。

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原型设计的水槽测试用于优化和帮助开发用于提取速度测量值的数字信号处理算法，传感器校准后，传感器将部署在为期8周的现场试验中，以在实际安装场景中验证和表征传感器的性能。

●○传感器设计○●

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传感器的读数基于CW超声多普勒，这反映了水中颗粒和杂质的声压波，根据它们的速度，返回的声波的频率偏移了所谓的多普勒频移。

连续超声多普勒原理的相对简单性降低了传感器设计的复杂性，这有助于实现低成本设计，因为它既减少了设计的组件数量，又允许传感器由非专业组件构建，这些组件通常没有更专业组件的价格溢价。

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●○多普勒信号生成与检测子系统○●

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该传感器中使用的多普勒速度测量原理的实现可以通过程序解释来最好地理解，CW超声多普勒需要将已知频率传输到水中才能测量多普勒频移，使用MAX7375振荡器IC输出1 MHz 5 V峰峰值方波。

此输出的波形测量单位为一个，1 MHz 频率与用于发射器和接收器的 SMFM21F1000 超声波换能器的谐振频率相匹配，每个换能器的直径为12.95毫米。

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来自振荡器的信号通过两个截止频率为150 kHz和480 kHz的无源低通滤波器进行滤波，两个滤波器用于实现二阶滚降，抑制方波的谐波，以产生更好的1 MHz正弦波近似值。

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第一个滤波器后的波形，并且在第二个过滤器之后，低通滤波器产生的波形总谐波失真为6%，选择这种方波发生器而不是纯正弦波发生器是因为其简单性，只需要低成本的MAX7375和无源元件。

150 kHz和480 kHz的截止频率低于1 MHz基频，因此会衰减1 MHz分量。这是有意为之，因为它将振幅提高到适当的水平，以便以后在SA612AD混频器IC中使用。

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●○数字信号采集子系统○●

数字信号采集子系统由差分模数转换器 （ADC） 和 ATmega328P 微控制器单元 （MCU） 组成，差分ADC对多普勒信号生成和检测子系统输出的平衡信号进行采样，在单侧输出上使用差分ADC可使信号幅度增加3 dB，这对于帮助检测微弱信号至关重要。

它还消除了对偏置电路的需求，因为输入不是以电路地为基准采样的，ADC 与 DSP 一起以 11 kHz 的频率对信号进行采样，从而将传感器的最大可测量速度限制为 1200 mm/s。

●○传感器接口子系统○●

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ATmega328P 微控制器用于控制速度传感器的子系统，计算必要的数字信号处理，并提供数字 I/O 接口，之所以选择 ATmega328P，是因为它是管理这些任务的低成本解决方案，编程相对简单;并与Arduino IDE兼容，Arduino IDE是一种流行且易于访问的MCU编程平台。

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后两个原因有助于使想要修改传感器以更好地适应其应用但相对不熟悉MCU编程的最终用户更容易理解设计，为了降低功耗和提高信号处理性能，ATmega328P可以替代STM32L412或类似产品。

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传感器的外壳采用3D打印技术建造，它由PET-G长丝打印而成，传感器的图像在 中提供图5.外壳填充有两部分灌封混合物，可防水传感器的电子设备。

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传感器的正面包含两个超声波换能器，它们的角度使其声束从水平方向升高 30 度，这样做是为了让读数从更大的流动深度范围内获取信息，而不是如果传感器在水平方向上倾斜，研究表明，这种方向可以更具有代表性地读取平均流速，并且对水深的依赖性较小。

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可选的连接翼有助于通过地脚螺栓将设备固定到通道床上，传感器的接线通过 CAT5 四对电缆退出，制造传感器的总电流成本不到50美元，由于该传感器目前仅处于精品生产阶段，因此人们认为可以通过大规模生产技术进一步减少生产。

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传感器的校准对于量化其背景噪声曲线是必要的，即无流量时的测量，然后，作为DSP的一部分，此配置文件将从传感器数据中过滤掉。

具体来说，估计的功率谱密度（PSD）量化了数字化多普勒频移信号中每个频率的噪声量，传感器结构的可变性使得每个传感器在部署之前都需要自己的校准。

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为了测量此PSD，将传感器放置在静止水中，换能器的方向使得它们前面至少有 20 厘米的畅通无阻的水，然后，以256 kHz的采样频率从ADC获取11个样本。

在这样的2000个样本片段中，至少有256个被抽取，然后将韦尔奇的方法用于这些具有0%重叠和汉明窗口的段，以产生PSD估计。

●○ 实验室用电测试○●

发现传感器的休眠电流为100 μA，这种适度的休眠电流支持传感器的设计标准，该传感器作为低维护实时监控设备，给定 4 秒的测量时间、5 V 的电源电压和 27 mA 的测量电流，这导致每次测量的能量仅为 0.6 J。

对于每小时 10 次测量的测量方案，计算出的 1 年记录总消耗量为 3500 mAh，大约是 18650 锂离子电池的典型容量。

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较低的测量频率将延长记录寿命，在较低的测量频率下，睡眠中使用的电流比例（仅略微取决于记录间隔）将从上述情况下的25%增加。

●○ 现场试验○●

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传感器测量的速度与HACH探头测量的速度之间的相关两个探头都表明，大多数速度范围为0毫米/秒至1200毫米/秒。

数据显示流速高达 1200 mm/s 的线性趋势，即传感器的测量上限，计算最佳拟合线给出的梯度为 0.94，R2值为 0.78，梯度为零的原假设概率为 p < 0.0001，支持传感器可以准确测量速度，虽然存在线性趋势，但速度测量还有其他特性。

传感器不补偿温度，据推测，温度可以通过改变水中的声速或改变LO的频率来影响速度测量，在20 °C时，水中声速为1480 m/s，变化为3 m/s·K。

声速会影响速度测量;然而，在极端的20°C温度波动下，速度测量误差为5%，同样，MAX7573振荡器的温度与其输出频率有关;这同样会影响速度。

此外，这里介绍的传感器的优点是不包含移动组件，这些组件可能会被碎片阻挡，从而限制了传感器的可靠性，或者粒子图像测速方法所需的计算昂贵且高功率的算法。

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●○ 结论○●

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所展示的传感器已被证明可以通过现场测试的数据有效地测量水流速度，传感器的性能最佳为400至1200 mm/s，其中RMS误差低于29%，平均误差范围为-11%至+10%。

虽然这与制造商在理想实验室条件下引用的当前商用传感器的性能不匹配，但在现场应用中，性能变得更具可比性，因为不确定性增加。

该传感器的新颖之处在于能够以50美元的成本测量速度，比商用传感器的典型数千美元便宜得多，除了传感器的低功耗（每小时 2 次测量 10 mW）和紧凑的尺寸外，它还支持部署传感器以进行大量实时监控。

这为新的科学上有趣的监测方案开辟了可能性，例如在环境监测程序中收集高空间和时间数据分辨率。