一款超声波风速传感器性能测试

       最近公司采购新找了一款来自成都供应商的超声波风速传感器（一种用于测量风速的超声波收发装置，以下称为超声波换能器），价格比公司在用的超声波换能器便宜，需要我来做一个对比测试，看看能不能满足产品要求。

       在测试之前，先简单介绍一下超声波风速测量仪的工作原理。

超声波风速测量仪

       上图是常见的超声波风速测量仪，包含四个超声波换能器。超声波风速仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速风向的测量。由于声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。假如超声波的传播方向与风向相同，那么它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，那么它的速度会变慢。所以，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。 通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速传感器检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。超声波风速仪具有重量轻、没有任何移动部件、坚固耐用的特点， 而且不需维护和现场校准，能同时输出风速和风向。由于它很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷， 因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用。

        工作过程：位置正对的一对超声波换能器互为收发，其中一个发射超声波，另一个接收发射的超声波（回波信号），获取接收波形之后转换角色，从而得到另一个超声波换能器的回波信号；这一对测量完成后切换为另外一对重复此过程，通过软件算法就能解算出风速和风向信息。

       接下来我们再来认识一下超声波换能器。超声波换能器是一种既能发射超声波也能接收超声波的器件，它具有固定的驱动频率，在驱动电路中呈现为容性负载，在接收到超声波后会输出具有一定规律的振荡波形。

公司正在使用的超声波换能器A性能参数

待测试的超声波换能器B性能参数

        从参数对比可以看出，二者的中心频率一样，灵敏度测试标准不同，无法直接比较。接下来将一对B换能器样品装在公司微气象产品上与原来的A换能器对比驱动波形幅值和回波的波形幅值，从而判断性能优劣。

一．驱动波形测试

   测量驱动电源端口电压波形。

换能器A驱动电压波形

换能器B驱动电压波形

    可以看到二者的驱动波形和幅值相近，二者的阻抗应该是一样的。

• 回波的整体特征测试

    测量放大之后的回波信号波形整体特征。

换能器A回波信号整体特征

换能器B回波信号整体特征

       可以看出同型号不同个体的换能器回波信号幅值不相同，B的回波信号幅值比A的幅值要小近一半，同时杂波信号的幅值比后者的也要大一些。

• 回波的波形细节测试

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  换能器A回波信号细节1

  

  换能器B回波信号细节1

  

  换能器A回波信号细节2

  

  换能器B回波信号细节2

  • 增强驱动能力，再次测试

         由于换能器B的回波信号幅值只有能器A的一半，考虑增大驱动电压来增加回波信号幅值。将驱动电压有原来的70多伏提高到100V。

  

  增强驱动后的驱动电压波形

  通道1测量回波信号波形，通道2测量驱动信号（100V_EN）波形。

  

  换能器A回波信号

  

  换能器B回波信号

         可以看出在增加驱动电压后，换能器A和B的回波信号幅值都增加了，且二者在驱动信号结束后都会继续振荡（驱动电路有比较大的电感，换能器是容性负载，因此判断发生了LC振荡），换能器A能够在回波信号到达之前结束自振荡，但换能器B会一直振荡到回波信号出现时都无法结束，这会导致软件无法找到起振点。后面还尝试过在换能器B两端并联高压瓷片电容以及串联电阻，都无法消除LC振荡（或者消除了LC振荡但使回波信号波形幅值减小），这里不再详细记录。

  • 测试总结

         在相同的测试条件下，换能器B的回波信号波形与换能器A的回波信号波形相似，但幅值比换能器A的小了近一半；在增大驱动信号强度后换能器B的回波幅值可以明显提高，但驱动的余波振荡时间太长，影响软件识别起振点；为了消除余波振荡，在驱动回路中串联电阻或在换能器两端并联电容，虽然都能缩短余波振荡时长，但又会引起回波信号幅值显著下降。综上所述，不建议使用换能器B替换换能器A。