聲學(xué)多普勒流速儀的發(fā)展歷史
發(fā)布時(shí)間：2014.02.22 新聞來(lái)源：超聲波流量計(jì)_超聲波明渠流量計(jì)_多普勒流速儀-南京卓瑪機(jī)電有限公司 瀏覽次數(shù)：
***初是SonTek公司為美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造的。該流速儀運(yùn)用多普勒原理，采用遙距測(cè)量的方式，對(duì)距離探頭一定距離的采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。如今，ADV已成為水力及海洋實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)流速測(cè)量?jī)x器。廣泛應(yīng)用于研究波浪軌跡、研究水體運(yùn)動(dòng)軌跡、橋樁周圍水流擾動(dòng)的研究、水沙試驗(yàn)測(cè)試、室內(nèi)水力模型實(shí)驗(yàn)、野外測(cè)量（ 沼澤地小流速的測(cè)量、黃石******公園熱噴泉水的測(cè)量、水處理廠沉淀池中的測(cè)量）、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)（水流擾動(dòng)對(duì)漁業(yè)的影響）、水處理廠（用ADVOcean 測(cè)量水流的流量）、測(cè)量沼澤地中的流速、ADV研究海浪、泥沙實(shí)驗(yàn)室等。
MicroADV超聲測(cè)速儀基于多普勒效應(yīng)（Doppler effect）的理論。所謂多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家多普勒而命名的，他于1842年首先提出了這一理論，即：當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波頻已發(fā)生改變，聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)變高，在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低.
ADV的測(cè)量很重要參數(shù)是控制體距離發(fā)射探頭約為5cm，是一個(gè)圓柱體（體積為0.08cm3），由探頭發(fā)射超聲波，遇到控制體后反射，并由接受探頭接受反射的信號(hào)，因此，MicroADV測(cè)量的實(shí)際是控制體與發(fā)射探頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。
幾何形狀:
MicroADV主要由三部分組成：量測(cè)探頭、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理。量測(cè)探頭由三個(gè)10MHz的接收探頭和一個(gè)發(fā)射探頭組成， 三個(gè)接收探頭分布在發(fā)射探頭軸線的周圍，它們之間的夾角為120°，接收探頭與采樣體的連線與發(fā)射探頭軸線之間的夾角為30°，采樣體位于探頭下方5cm或10cm，這樣可以基本上消除探頭對(duì)流場(chǎng)的干擾。
坐標(biāo)系統(tǒng):
坐標(biāo)系統(tǒng)
坐標(biāo)系統(tǒng)
信號(hào)調(diào)整器由檢測(cè)微弱反射信號(hào)的模擬電路組成；數(shù)字信號(hào)處理由一個(gè)單獨(dú)的電路板完成，主要針對(duì)輸出頻率為25Hz的實(shí)時(shí)三維流速測(cè)量值的計(jì)算。ADV的數(shù)據(jù)采集軟件用自帶的ADF2.6，信號(hào)和各種流動(dòng)參數(shù)處理由WINADV完成，它提供的數(shù)據(jù)文件為文本文件，可以方便地由Excel、Matlab、Grapher等許多軟件處理。此外，ADV測(cè)量采用與廠家一致地坐標(biāo)系統(tǒng)和記法，即Vx、Vy和Vz分別代表縱向、橫向和垂向流速。
ADV采樣體:
ADV采樣體的尺寸取決于四個(gè)因素：發(fā)射聲束、接收聲束、脈沖長(zhǎng)度、接受窗（返回信號(hào)的時(shí)間跨越周期）。右圖表示每一個(gè)因素對(duì)采樣體尺寸的影響。采樣體的水平邊界由發(fā)射聲束和接收聲束的相交部分確定，但聲束相交部分的范圍不易確定，因此把發(fā)射聲束和接收聲束近似假定為圓柱體（對(duì)于10MHz ADV，其直徑為6mm）。采樣體的垂直邊界由接收窗和脈沖長(zhǎng)度的卷積確定。對(duì)于10MHz ADV采樣體的總高度為9mm，且采樣體的高度可隨ADV數(shù)據(jù)采集軟件中的設(shè)置改變而變化，***小高度可達(dá)1.2mm，但這樣設(shè)置會(huì)影響測(cè)量精度。另外，ADV測(cè)速點(diǎn)位置在采樣體的垂直中心上。
ADV速度范圍和信號(hào)強(qiáng)度:
ADV速度范圍和信號(hào)強(qiáng)度
ADV速度范圍和信號(hào)強(qiáng)度
為保護(hù)儀器積測(cè)量精度，在一般情況下，用戶設(shè)定的速度范圍應(yīng)大于試驗(yàn)中出現(xiàn)的與流動(dòng)方向有關(guān)的***大流速。
信號(hào)強(qiáng)度是測(cè)量接受探頭接受超聲波信號(hào)強(qiáng)度的尺度，在ADV中信號(hào)強(qiáng)度是用信號(hào)和噪音的比值，即信噪比SNR來(lái)衡量的。信噪比主要可以檢驗(yàn)水中是否存在足夠的介質(zhì)，如泥沙、微粒等，來(lái)反射聲波信號(hào)。如果水中粒子過(guò)少，返回的信號(hào)就會(huì)比周圍的噪音還要小，要是沒(méi)有足夠大的信號(hào)強(qiáng)度，ADV是不可能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的，所得的數(shù)據(jù)肯定和實(shí)際差別很大。如果SNR降低，表明ADV測(cè)量中噪音很大，就會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于瞬時(shí)流速測(cè)量（以25Hz采樣），信噪比一般要求大于15分貝；對(duì)于平均流速測(cè)量（以0.5Hz采樣），ADV可以在信噪比為5分貝時(shí)正常工作。
影響ADV 測(cè)試精度的主要因素:
由ADV測(cè)速原理可知，不同的聲速會(huì)對(duì)多普勒頻移產(chǎn)生影響。在水中，聲速主要是溫度和水的含鹽度的函數(shù)，它們的變化將引起聲速的變化，如改變5℃的溫度，聲速將改變1％；改變1.2％的含鹽度，聲速將改變1％；如果ADV使用的聲速誤差為1％，速度測(cè)量結(jié)果的誤差將會(huì)達(dá)2％。對(duì)于由聲速變化而引起的速度測(cè)量誤差可以在后處理中修正。
另外，不同的采樣頻率和采樣體高度對(duì)ADV測(cè)速也有影響，前者對(duì)平均流速的測(cè)量影響較小，而后者的不同所得的結(jié)果波動(dòng)較大，為保證精度，一般ADV采樣體高度采用9mm，采樣頻率采用25Hz。
ADV操作不當(dāng)和信噪比太低都會(huì)降低ADV測(cè)試精度。
MicroADV超聲測(cè)速儀基于多普勒效應(yīng)（Doppler effect）的理論。所謂多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家多普勒而命名的，他于1842年首先提出了這一理論，即：當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波頻已發(fā)生改變，聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)變高，在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低.
ADV的測(cè)量很重要參數(shù)是控制體距離發(fā)射探頭約為5cm，是一個(gè)圓柱體（體積為0.08cm3），由探頭發(fā)射超聲波，遇到控制體后反射，并由接受探頭接受反射的信號(hào)，因此，MicroADV測(cè)量的實(shí)際是控制體與發(fā)射探頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。
幾何形狀:
MicroADV主要由三部分組成：量測(cè)探頭、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理。量測(cè)探頭由三個(gè)10MHz的接收探頭和一個(gè)發(fā)射探頭組成， 三個(gè)接收探頭分布在發(fā)射探頭軸線的周圍，它們之間的夾角為120°，接收探頭與采樣體的連線與發(fā)射探頭軸線之間的夾角為30°，采樣體位于探頭下方5cm或10cm，這樣可以基本上消除探頭對(duì)流場(chǎng)的干擾。
坐標(biāo)系統(tǒng):
坐標(biāo)系統(tǒng)
坐標(biāo)系統(tǒng)
信號(hào)調(diào)整器由檢測(cè)微弱反射信號(hào)的模擬電路組成；數(shù)字信號(hào)處理由一個(gè)單獨(dú)的電路板完成，主要針對(duì)輸出頻率為25Hz的實(shí)時(shí)三維流速測(cè)量值的計(jì)算。ADV的數(shù)據(jù)采集軟件用自帶的ADF2.6，信號(hào)和各種流動(dòng)參數(shù)處理由WINADV完成，它提供的數(shù)據(jù)文件為文本文件，可以方便地由Excel、Matlab、Grapher等許多軟件處理。此外，ADV測(cè)量采用與廠家一致地坐標(biāo)系統(tǒng)和記法，即Vx、Vy和Vz分別代表縱向、橫向和垂向流速。
ADV采樣體:
ADV采樣體的尺寸取決于四個(gè)因素：發(fā)射聲束、接收聲束、脈沖長(zhǎng)度、接受窗（返回信號(hào)的時(shí)間跨越周期）。右圖表示每一個(gè)因素對(duì)采樣體尺寸的影響。采樣體的水平邊界由發(fā)射聲束和接收聲束的相交部分確定，但聲束相交部分的范圍不易確定，因此把發(fā)射聲束和接收聲束近似假定為圓柱體（對(duì)于10MHz ADV，其直徑為6mm）。采樣體的垂直邊界由接收窗和脈沖長(zhǎng)度的卷積確定。對(duì)于10MHz ADV采樣體的總高度為9mm，且采樣體的高度可隨ADV數(shù)據(jù)采集軟件中的設(shè)置改變而變化，***小高度可達(dá)1.2mm，但這樣設(shè)置會(huì)影響測(cè)量精度。另外，ADV測(cè)速點(diǎn)位置在采樣體的垂直中心上。
ADV速度范圍和信號(hào)強(qiáng)度:
ADV速度范圍和信號(hào)強(qiáng)度
ADV速度范圍和信號(hào)強(qiáng)度
為保護(hù)儀器積測(cè)量精度，在一般情況下，用戶設(shè)定的速度范圍應(yīng)大于試驗(yàn)中出現(xiàn)的與流動(dòng)方向有關(guān)的***大流速。
信號(hào)強(qiáng)度是測(cè)量接受探頭接受超聲波信號(hào)強(qiáng)度的尺度，在ADV中信號(hào)強(qiáng)度是用信號(hào)和噪音的比值，即信噪比SNR來(lái)衡量的。信噪比主要可以檢驗(yàn)水中是否存在足夠的介質(zhì)，如泥沙、微粒等，來(lái)反射聲波信號(hào)。如果水中粒子過(guò)少，返回的信號(hào)就會(huì)比周圍的噪音還要小，要是沒(méi)有足夠大的信號(hào)強(qiáng)度，ADV是不可能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的，所得的數(shù)據(jù)肯定和實(shí)際差別很大。如果SNR降低，表明ADV測(cè)量中噪音很大，就會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于瞬時(shí)流速測(cè)量（以25Hz采樣），信噪比一般要求大于15分貝；對(duì)于平均流速測(cè)量（以0.5Hz采樣），ADV可以在信噪比為5分貝時(shí)正常工作。
影響ADV 測(cè)試精度的主要因素:
由ADV測(cè)速原理可知，不同的聲速會(huì)對(duì)多普勒頻移產(chǎn)生影響。在水中，聲速主要是溫度和水的含鹽度的函數(shù)，它們的變化將引起聲速的變化，如改變5℃的溫度，聲速將改變1％；改變1.2％的含鹽度，聲速將改變1％；如果ADV使用的聲速誤差為1％，速度測(cè)量結(jié)果的誤差將會(huì)達(dá)2％。對(duì)于由聲速變化而引起的速度測(cè)量誤差可以在后處理中修正。
另外，不同的采樣頻率和采樣體高度對(duì)ADV測(cè)速也有影響，前者對(duì)平均流速的測(cè)量影響較小，而后者的不同所得的結(jié)果波動(dòng)較大，為保證精度，一般ADV采樣體高度采用9mm，采樣頻率采用25Hz。
ADV操作不當(dāng)和信噪比太低都會(huì)降低ADV測(cè)試精度。
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