风速传感器讲解

摘要

矿用传感器是煤矿监控系统的“耳目”，它用于监测煤矿环境参数与生产过程参数，将各种物理量转换为电信号。

环境安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停、工作电压、工作电流等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。

环境参数传感器包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、温度、湿度、风速、绝对压力、相对压力(负压)、粉尘、烟雾等传感器。生产参数传感器包括机电设备开／停、料位、皮带秤重、机组位置、皮带打滑、电压、电流、功率等传感器。

矿用风速传感器在煤矿开采业中的作用，不可小觑。在煤矿开采时风速的大小直接影响矿工的生命安全，风速太小，有害气体得不到及时的稀释，可能导致爆炸；如瓦斯爆炸。当风速太大时，可能导致粉尘爆炸。因此风速传感器在煤矿开采中至关重要。

主要是将信号转换为超声波，利用接收换能器接收经过风速调制的信号。然后经过中频放大、检波、低频放大、整形后得到方波，然后分两路，一路送给就地显示，一路进行F/I转换。

关键词：传感器.，风速，超声波，CW7800卡曼涡街效应，

1 矿用风速传感器概述

1.1矿用风速传感器的应用

矿用风速传感器用于检测煤矿井下各坑道、风口、主风扇等处的风速。在煤炭开采的过程中，总有瓦斯涌出。为稀释矿井空气中的瓦斯，需不断地向井下输送新鲜空气。风量是通风系统的重要参数之一。因此，对矿井风速的监测是矿井监控的主要内容之一。

1.2矿用风速传感器的安装位置

安装：风速传感器可安装在主要测风站和进回风巷等地。安装地应在距顶板较好无明显淋水，不妨碍运输和行人安全的地方，传感头指向应与风流方向一致。安装前应首先测量通道平均风速，任选一点安装，遥控器对准传感器按动上、下键，使就地显示为平均风速即可。注意：传感器安装一定要牢固，不得摆动，传感器测风面一定要垂直风流方向。

1.3设计的意义

矿用风速传感器在煤矿开采业中的作用，不可小觑。在煤矿开采时风速的大小直接影响矿工的生命安全，风速太小，有害气体得不到及时的稀释，可能导致爆炸；如瓦斯爆炸。当风速太大时，可能导致粉尘爆炸。因此风速传感器在煤矿开采中至关重要

1.4矿用风速传感器的分类

（1）按传感器用途可分为环境参数传感器与生产参数传感器。

（2）按供电方式可分为自带电源式传感器与外接电源式传感器两种。

（3）按其输出信号形式可分为模拟量、开关量、累计脉冲量等。模拟信号应符合下列信号制式：电流模拟信号为1～5mA或4～20mA，频率模拟信号为200～1000Hz或5～15Hz。

（4）按作用原理不同可分为：机械翼式风速传感器、电子翼式风速传感器、热效应式风速传感器超声波风速传感器。

（5）按风速的测量范围可分为高速风速传感器（V>10m/s）、中速风速传感器（V=0.5m/s～10m/s）、低速风速传感器(V =0.3m/s～0.5m/s)

1.3矿用风速传感器的技术指标

测量范围：0.4 ～15m/s

测量误差：≤±0.3m/s

输出信号：频率型200Hz~1000Hz 或电流型1mA~5mA

工作电压：12V ～21V(DC)

工作电流：≤90 mA

传输距离：≤2Km

1.5测风方法

测量井巷的风量一般要在测风站内进行，在没有测风站的巷道中测风时，要选一段巷道没有漏风、支架齐全、断面规整的直线段进行测风。

空气在井巷中流动时，由于受到内外摩擦的影响，风速在巷道断面内的分布是不均匀的,如图1-1所示。在巷道轴心部分风速最大，而靠近巷道周壁风速最小，通常所说的风速是指平均风速而言，故用风速传感器测风必须测出平均风速。为了测得巷道断面上的平均风速，测风时可采用路线法，即将风速传感器按图1-2所示的路线均匀移动测出断面上的风速；或者采用分格定点法，如图1-3所示，即将巷道断面分为若干方格，使风表在每格内停留相等的时问，进行移动测定，然后计算出平均风速。根据断面大小，常用的有9点法、12点法等。

图1-1 风速流动状态 图1-2 线路法测风 图1-3 定点法测风

测风时，根据测风员的站立姿势不同又分为迎面法和侧身法两种。

迎面法是测风员面向风流方向，手持风速传感器，将手臂向正前方伸直进行测风。此时因测风人员立于巷道中间，阻挡了风流前进，降低了风速传感器测得的风速。为了消除测风时人体对风流的影响，须将测算的真实风速乘以校正系数(1.14)才能得出实际风速。

侧身法是测风人员背向巷道壁站立，手持风速传感器，将手臂向风流垂直方向伸直，然后测风。用侧身法测风时，测风人员立于巷道内减少了通风断面，从而增大了风速，需对测风结果进行校正，其校正系数按下式计算：

S

S K 4.0-= 式中 K —--测风校正系数，

S ——测风站的断面积（m 2），

0.4--- 测风人员阻挡风流的断面积（m 2）。

1.6测风注意事项

(1)风速传感器度盘一侧背向风流，即测风员能看到度盘；否则，风速传感

器指针会发生倒转。

(2)风速传感器不能距人体太近，否则会引起较大的误差。

(3)风速传感器在测量路线上移动时，速度一定要均匀。在实际工作中，这

点常不被重视，由此引起的误差是很大的。如果风速传感器在巷道中心部分停留

的时间长，则测量结果较实际风速偏高；反之，测量结果较实际值偏低。

(4)叶轮式风速传感器一定要与风流方向垂直，在倾斜巷道测风时，更应注意。如表1-1传感器偏角对测量结果的影响。由表1-1可知偏角10°以内时所产生的误差可忽略

不计。

表1-1传感器偏角对测量结果的影响

风度偏角/(°) 风表平均读数误差/%

O 141．O O．35

5 140.5 1.42

10 139．O 2.50

15 137.5 6.50

20 132．O

(5)在同一断面测风次数不应小于3，三次测量结果的最大误差不应超过5%。

(6)传感器的量程应和测定的风速相适应，否则将造成风速传感器损坏或量

程不准确。

(7)为了减小测量误差，一般要求在1min时间内，使传感器从移动路线的起

点到达终点。

(8)使用前还应注意传感器的校正有效期。

1.7 各类传感器性能比较

矿用风速传感器的种类优点缺点

机械翼式风速传感器

体积小，质量轻，可测

平均速度。精度低，不能直接指示风速，不能自动遥测，不能测微风。

电子翼式风速传感器接近开关式

（感应式）

电容式

光电式

能发展遥测，精确度比

机械翼式高，能直接指

示瞬时风速。

叶片有惯性运动，所以

测量值偏大，体积和质

量比机械翼式大，构造

复杂，风速过高不能测、

风速过低也不能测。

热效应式风速传感器

热线式

热球式

热敏电阻式

没有惯性影响，高低风

速均可测，能发展遥测。

热敏电阻和热球的测值

呈非线性，受湿度和气

体成份的影响。

超声波风速传感器

结构简单，寿命长，性能稳定，不受风流的影响，

精度高，风速测量范围大。

通过表中的比较，可以明显的看到，设计传感器最好的选择就是超声波风速传感器。不仅结构简单，性能稳定，不受风流影响而且精度高，测量范围大。

2工作原理及设计方案

2.1工作原理

矿用风速传感器是利用卡曼涡街原理和超声波旋涡式风速传感器工作原理，下面分别介绍卡曼涡街效应和旋涡式风速传感器工作原理。

2.1.1卡曼涡街原理

超声波旋涡式风速传感器是利用卡曼涡街效应设计的。在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图2-1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。

图2-1 卡曼涡街效应

d v s f ?=

式中：f -漩涡频率；

s -常数；圆柱形挡体的s 值为0.21；

v -未扰动流体的速度；

d-阻挡体宽度（或直径）

首先将风速转换成与风速成正比的旋涡频率，然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲，后将超声波脉冲转换成电脉冲，从而测得风速。由于超声波旋涡式风速传感器具有寿命长，易维护，成本低等优点。因此，在矿井监控系统中获得了广泛应用。

我们知道，在流动的水中，垂直于流向插人一阻挡体，在阻挡体的下游会产生两列内旋的互相交替的旋涡。可以证明：在无限界流场中，垂直流向插入一根无限长非流线形阻挡体，阻挡体的下游将产生两列内旋、互相交替的旋涡，若对

流速、阻挡体截面面积和形状作适当的限制，则旋涡频率与流速成正比：其旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为V，旋涡发生体迎面宽度为d，交替产生的漩涡数通过压电元件检测出频率f，经电子线路检测后送给定时控制器、锁定寄存器进行运算处理给显示电路进行显示。

2.1.2超声波旋涡式风速传感器工作原理：

如图2-2 所示。在风洞中设置确定旋涡发生杆（即阻挡体），在阻挡体下方安装一对超声波发射器和接收器，当流动空气经过旋涡发生杆时，在其下方产生两列内旋相互交替的旋涡。由于旋涡对超声波的阻挡作用，超声波接收器将会收到强度随旋涡频率变化的超声波，即旋涡没有阻挡超声波时，接收到的超声波强度最大，旋涡正好阻挡超声波时，接收到的超声波强度最小。超声波接收器将接收到的幅度变化的超声波转换成电信号，所经过放大、解调、整形等就可获得与风速成正比的脉冲频率。

图2-2 超声波旋涡式风速传感器工作原理

当发生杆一定时，风速越大，形成的卡曼旋涡就越强，对超声波束调制度越大。当风速很低时，会形不成旋涡。为检测较低的风速，可以增大发生杆直径或提高超声波接收器的灵敏度。能产生旋涡的发生杆直径与风速关系如图2-3所示。

图2-3 产生旋涡的发生杆直径与风速关系

为了解决低风速的测量问题，首先要设法提高调制度，方法一是选择合理的

漩涡发生体；方法二是用灵敏度高的超声波换能器，超声波发射与接收器的形状、断面尺寸、相对位置及安装紧固程度和偏移角等都会影响灵敏度。超声波发射与接收器应设置在其轴线距发生杆的距离为发生杆直径 6 倍的地方，以保证线性度。超声波的工作频率应为140～150kHz，即高于风速旋涡频率两个数量级，但不要过高，过高会造成超声波在空气中传播时的严重衰减。

2.2设计方案

矿用风速传感器主要由：电源电路，发射电路，接收电路，整形电路，频流转换，就地显示组成。超声波旋涡风速传感器是利用卡曼涡街对超声波调制原理来实现对风速的测量的。传感器输出1~5mA的直流模拟信号，其值对应0.4~15m/s的风速值。并有就地数字显示功能，直读风速值。可对煤矿井下的风速进行遥测。其测量范围0.4~15m/s。

1.电源电路：由三端固定集成稳压器W和由闸流管SCR、稳压管D4组成的保护电路构成。由电源箱供给21V 450mA直流电源，经本电路稳压后输出12V 直流电压作为传感器的工作电路，当W由于某种原因损坏，使输出电压大于13V 时，稳压管D4被击穿，闸流管SCR导通电流经SCR流入地，从而实现就地保护。

2.发射电路：该电路由电感三点式振荡器（哈特莱电路）和乙类推挽功率放大器组成。振荡器产生145KHz的连续等幅正弦波，由变压器输入端，经功率放大后施加到发射换能器F上。发射电压约11V，发射功率约200mW。

3.接收电路：由中频放大器、检波器、低频放大器组成。

发射换能器发出的超声波，经空气衰减后，被接收换能器接收，转换能量损失很大，接收换能器输出的信号很微弱，一般只有几毫伏，为了满足检波器的需要，实现大信号检波而采用了中频放大器专门对接收换能器输出的信号进行放大。中频放大器由两级LC选频放大器组成，放大器的中心频率为145KHz，频带宽度为3 KHz，电压放大倍数为600~800倍，输出电压有效值为1V。

检波器将中频放大器输出的调幅信号中的低频漩涡信号检出送给低频放大器，检波器输出电压幅值为5~10 mV，其值随风速增加而增大。

低频放大器采用8FC7型单电源运放构成两级放大器，每级放大约20倍，频率范围在20~1200Hz，当输入端短路时，输出端噪声电压不大于1 mV.

4.整形电路：由BG6、BG7两只硅晶体管构成，把低频放大器输出的近似正弦波信号转换成矩形波，完成波形变换，一路送给就地显示电路，另一路送给频率—电流转换电路。

5.频率—电流转换电路：由CMOS单稳态触发器IC4、单电源运算放大器IC5、场效应晶体管BG8和硅晶体管BG9构成。

单稳态触发器IC4输出脉冲TM由R42和C26确定，由施密特整形电路输入的矩形波信号，经单稳态电路再次整形后输出脉宽恒定幅值恒定的矩形脉冲，经R43、WD2、R41、R46、C27分压滤波后，输出0~1V直流电压信号，完成频率—电压转换。输出电压信号可以由WD2在小范围内调整。

由IC5、BG8、BG9、构成恒流电路，WD为模拟负载电阻。WD5为采样电阻，IC5结成同相放大工作状态，恒流电路将0~1V直流电压信号转化成1~5mA 直流电流信号，经长线输送至矿井监测系统、电源箱，从而完成频率—电流转换。

6.就地数字显示电路。由CMOS定时控制器I C6，十进制数字寄存译码器IC7、IC8、IC9和数码管等构成。

定时控制器IC6由晶体振荡器SZ和R56、C30、C31构成晶体振荡器，产生32768Hz的振荡频率，经分频后，由IC6的12脚输出32Hz，占空比为50%的方波信号作为数码管的驱动信号。IC6的2、3脚接入R54、R57构成施密特触发器，对输入的被测脉冲进行整形，被测信号由IC3的2脚输入。R55、C29决定单稳态触发器的单稳时间，其值应取得比最小输入信号周期小些，以免前一个单稳时间尚未结束，后一个输入信号又到来。

IC7、IC8、IC9的锁定寄存器选通信号是由IC6 的15脚供给。它是由定时器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5的负窄脉冲信号。IC7、IC8、IC9的清零信号由IC6的11脚供给。它是由定时控制器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5的正窄脉冲信号。被测脉冲由IC6的10脚输出送给IC7的计数输入端6脚进行计数。当计数时间到1秒钟时，选通信号到来，给IC7 ~IC9锁定寄存器解锁，所测信号进入译码器，显示器将显示这1秒钟的测量值。选通脉冲后，液晶显示器保持测量值，同时清零信号对计数器清零。清零脉冲过后，计数器开始下一秒钟的计数。当计数又到1秒钟是，选通信号又到来，锁定寄存器又解锁，液晶显示器显示新的测量值。如此循环，显示器将不断地显示新的测量值，其显示周期为1秒，如图2-4.

图2-4风速传感器原理框图

3各部分电路设计

3.1电源电路的设计

电源电路的作用就是为发射电路，接收电路，整形电路，频流转换电路提供+12V电源，为就地显示电路提供+5V电源;由煤矿电源箱KDW6B提供+21V电压；为了得到+12V电压和+5V电压可以利用三端固定集成稳压器7812和稳压二极管。

三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列（正电源）和CW7900系列（负电源）。

CW7800基本应用电路：（7812）如图3-1；

图3-1 CW7800基本应用电路

由于输出电压决定于集成稳压器，故输出电压为12V，最大电流1.5A。为使电路正常工作，要求输入电压U1比输出电压U0至少大2.5～3V。输出电容C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰。一般取0.1～1uF。输出端电容C2、C3用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。V是保护二极管，用来防止输入端短路时输出电容C3所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。

稳压二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。

当电压过高时要进行断电保护，还要考虑自激振荡，故设计出图3-2。

图3-2 电源电路

C1、C2为电容，用于滤波；C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰，C2用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。R1为限流电阻；D1、D4为稳压管二极管；SCR为晶闸管；W为7812三端固定集成稳压器。

V CC输出电压经过C1滤波，W稳压输出12V电压经C2滤波提供给后续电路，D1稳压得到5V电源给显示电路供电;当W出现故障，输出电压高于13V时稳压管D4被击穿，晶闸管SCR导通，电流经D4和SCR流入地，从而实现保护。