微波雷达流速传感器改造设计

微波雷达流速传感器的改造设计

1、微波测速原理

设微波传感器发射的微波信号本振频率为f0，该信号经定向天线发射，以一定的方位角和俯角照射到水面，依靠水面的波纹或悬浮物，把一部分微波反射回天线。根据多普勒原理，当水面有一径向运动时，反射波的频率就会变化，现用f1表示。f1和f0混频后得到的多普勒频率f d=f1-f0。

在理论上，现在选用的微波测速传感器有以下关系：

V = 1.425f d

其中，V为水流速度（cm/s）；f d为多普勒频率（Hz），即为微波传感器输出信号的频率。

2、传感器选择

美国ACI 公司是全球最大的测速雷达制造厂。ACI 公司的Stalker品牌测速雷达在军事、警用、运动测速领域得到了广泛应用，产品行销全球。Stalker SVR传感器由警用测速雷达升级改造，增加了水平角和垂直角改正、流速平均、信号强度检测、串口通信控制等功能，适合水面流速自动遥测应用。

Stalker SVR 采用专门为水面流速测量开发的智能表面回波分析算法，可有效排除与水面流速无关的干扰信号，测量水面流速稳定可靠。SVR 传感器具有最大50 毫瓦微波发射功率和极高的检测灵敏度，最大有效测程达100 米。

主要技术指标：

1）测速范围：0.20～18.00 米/秒

2）测速精度：±0.05 米/秒

3）数据接口：RS232，通讯协议为9600/N/8/1

4）供电电压：9～16VDC

5）波束宽度：12°

6）微波频率：34.7GHz

7）工作温度：-30～+80℃ 图 Stalker SVR传感器

3、传感器改造原因

经过现场初步调试，Stalker SVR传感器可以用于检测航道水流速度。但存在如下问题：1）传感器相关工作模式须单独通过PC机串口进行设置。

2）传感器数据以RS232报文格式进行实时输出，其数据的接收须在PC机上利用串口调试助手等专用软件才能完成。

总体上看，现有Stalker SVR传感器本身与整个PLC检测系统关联度不高，从而给水流监测与系统运行带来不便。通过改造，以期通过PLC系统解决上述两个问题，提高系统的集

成度。

4、改造方案

图 传感器改造功能框图

4.1 功能描述

1）电平转换：SVR传感器输出RS232信号，须经过RS232ÆTTL转换后才能由单片机进行接收。

2）单片机：完成SVR传感器工作模式的设置；并根据SVR传感器通信协议，分析报文格式，提取实时流速等有效数据。

3）数显：通过数码管，实时显示实际流速值。

4）D/A转换、I/V转换：配合单片机程序，将水流实际流速转换为实时标准电压信号（0-5V），（理论上的电压值应与流速大小存正比关系）。

5）流向设置：PLC系统根据长江侧与内河侧的实际水位落差，实时对SVR传感器工作时的水流流向（流入或流出）进行动态设置。

4.2 实验方法

自行设计线路板，在实验、调试的基础上总结经验，完善方案，利用SVR传感器完成水流速度的较精确测定。

5、关键问题

1）SVR传感器报文格式的分析以及有效数据的分离

SVR传感器输出的RS232报文数据格式为：“ID—强度—平均时间—当前流速—当前平均流速—前一个平均流速”，测量周期为 213.3 毫秒。本系统中只需要提取当前水流流速信息，故在单片机系统软件中一个非常重要的工作就是对SVR传感器报文格式的分析，及对当前流速进行实时有效分离，并最终通过D/A转换转换为0-5V模拟电压送PLC系统。

2）水流实际流速与送PLC的电压信号之间标度变换

设计目标：通过单片机软件进行标度变换以及软硬件标定实验，实现当前水流流速（如流速0-5m/s）与送PLC的模拟电压（如0-5V）之间呈现较严格的线性关系，从而保证合理的量程范围及测量精度。

6、硬件设计

图 传感器改造电路图7、软件设计

图 单片机系统软件流程图