基于光纤传感的超声时差法测流系统关键技术研究.pdf

摘要

河流的流速、流量的测量一直以来是水文勘测中重要的数据信息之一，从古至今

也衍生出了众多方法仪器用于该数据的获取，如建筑物量水法、“流竹法”、机械转子

测流仪等直接测量水体信息的方法。随着科技的发展，许多基于多学科交叉的测流方

法应运而生，如电波法、激光法、视频法、声学法等。其中声学法是现阶段各地水文

站应用最为广泛的在线流量监测技术有声学多普勒剖面流速仪和超声时差法测流仪

器，不同于其他方法声学法在河流断面上的监测更为全面，且在各水层都可以布置一

条声线，进而获得整个河流断面的信息。

超声测流依赖超声波在水流中的传输影响，其接收能力体现测流精度。然而，我

国多依赖国外高成本设备，导致超声信号接收能力较弱，影响测流精度。传统超声测

流仪因压电换能器限制接收能力，尤其在复杂水流条件下。光纤传感技术具有卓越性

能，因此本研究设计基于光纤传感的超声时差法测流系统，以强化探测信号，提升测

流精度。

研究了基于光纤传感的测流系统的工作原理，将其分成三部分研究：发射端、探

测端和信号处理端。

根据超声波的特性，可以分析为何采用低频超声用于超声波测量的主要频段，但

低频超声其本身的局限又导致其难以有较高的指向性，所以导致信号能量不集中，这

也是传统超声测流所面临的信号检测不到的问题所在，根据通过组合声源的设计，可

以达到低频超声高指向性性能。

设计了基于芯轴型的光纤超声传感探测端，根据光纤传感机理以及力学模型，得

到了芯轴谐振频率对光纤超声传感器有影响，进而根据芯轴材料属性和结构尺寸参数

导致频率上光纤超声传感灵敏度的变化，设计材料属性和尺寸结构参数，从而在特定

频段下指向性探测的性能。

实验测试了基于谐振频率的芯轴型光纤超声传感器系统。在水下环境中，该系统

在1kHz~30kHz范围内显示谐振峰值。通过标准压电声学传感器标定，确认该系统

在15kHz~30kHz频段内相移-声压灵敏度存在谐振峰，表明谐振频率能提升系统灵

敏度。整合测试验证了各部分耦合性和测流系统的有效性，证明了该光纤超声传感系

统可用于河流水体信息监测。

关键词：水文勘测河流流速超声时差法光纤传感谐振频率

Abstract

Measurementofriverflowvelocityandflowratehasalwaysbeenoneoftheimportant

datainformationinhydrologicalsurvey,andmanymethodsandinstrumentshavebeen

derivedfromancienttimesfortheacquisitionofthisdata,suchasthebuildingwater

measurementmethod,theflowbamboomethod,themechanicalrotorflowmeterandother

directmeasurementofthewaterbodyinformationmethod.Withthedevelopmentofscience

andtechnology,manybasedonmultidisciplinarycross-flowmeasurementmethodcameinto

being,suchastheelectricwavemethod,lasermethod,videomethod,acousticmethodand

soon.Amongthem,acousticmethodisthemostwidelyusedonlineflowmonitoring

technologyinhydrologicalstationsallovertheworldatthisstage,thereareacousticDoppler

profileflowmeterandultrasonictime-differencemethodoff