一种对射式超声波换能器自清洁系统的制作方法

本发明涉及超声波测风装备，具体为一种对射式超声波换能器自清洁系统。

背景技术：

1、对射式超声波风速传感器基于超声波时差法测量风速，在煤矿井下通风系统等环境中应用广泛。该类传感器的测量精度依赖于超声波信号在换能器之间的稳定传输。在实际工况中，巷道风流夹带粉尘，超声波换能器的表面容易附着粉尘颗粒。粉尘积聚会吸收和衰减超声波能量，导致接收端的信号采样值下降以及瞬时风速数据出现异常波动，进而造成风速测量误差增大或监测失效。

2、现有的防尘和维护方式存在结构与逻辑上的局限。由于超声波传输的物理特性，在换能器外部加装实体防护镜片会直接阻断声波传播路径，使得换能器必须保持暴露状态。传统的维护主要依靠人工定期登高擦拭，考虑到井下传感器安装位置较高，人工操作存在安全隐患且难以应对随机发生的粉尘聚积状况。若采用单一固定周期的机械自动清洁装置，固定的动作间隔无法与实际积尘程度匹配。当环境中粉尘浓度剧增时，清洁动作往往滞后于积尘过程，导致测量结果在此期间发生失准；而在环境相对清洁时，持续定时的机械动作又会造成电机与清洁部件的无效磨损。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种对射式超声波换能器自清洁系统，解决了现有超声波风速传感器在含尘环境中易因粉尘附着导致信号衰减与测量失真，而传统人工维护困难，且单一固定周期的机械清洁方式无法根据实际积尘状况实现按需清理的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种对射式超声波换能器自清洁系统，包括机械驱动模块和智能控制模块。

3、机械驱动模块包括直流电动机和雨刮器连杆结构，直流电动机驱动雨刮器连杆结构对对射式超声波风速传感器的超声波换能器执行清洁。智能控制模块连接直流电动机，内部包含计时模块、数据采集模块和数据处理模块。

4、本系统构建了基于多源信号特征的并行监控触发机制。粉尘在超声波换能器表面的积聚会对超声波信号产生物理干扰，该干扰在瞬时风速数据和底层采样数据上会产生数据波动。系统通过提取上述数据特征执行清洁决策：

5、计时模块记录连续运行时间，在连续运行时间到达预设的清洁间隔周期时生成清洁指令。

6、数据采集模块获取瞬时风速数据和超声波换能器接收端的模拟数字转换采样值。数据处理模块计算瞬时风速数据的波动方差，计算过程为对瞬时风速数据进行滑动窗口滤波计算，并在设定的时间窗口内截取连续的瞬时风速采样序列，计算该序列内各个瞬时风速采样点与设定时间窗口内瞬时风速均值的离散程度获取所述波动方差。数据处理模块在所述波动方差大于标定的动态方差阈值时生成清洁指令。其中，标定的动态方差阈值基于无粉尘干扰下的基准正常紊流特征进行离线标定获取。

7、粉尘附着会吸收和衰减超声波能量，数据处理模块提取设定时间窗口内模拟数字转换采样值的状态特征。当数据处理模块判定在设定的时间窗口内模拟数字转换采样值相对于标定基准值的均值下降差额大于设定的均值下降门限，或者设定的时间窗口内模拟数字转换采样值的波动标准差大于设定的波动标准差阈值时，生成清洁指令。其中，标定基准值为无粉尘纯净空气环境下标定的基准值；设定的均值下降门限基于传感器测量精度允许的最大能量衰减率推算设定；设定的波动标准差阈值基于高频环境噪声引起的信号抖动的判定界限设定。

8、智能控制模块接收所述清洁指令并向直流电动机发送驱动指令。在当前清洁动作结束后，智能控制模块将内部的计时模块做清零处理，同步将所述数据处理模块内所有设定的时间窗口内的数据缓存重置为初始状态。

9、雨刮器连杆结构包括刷头连接臂和毛刷。直流电动机运转带动刷头连接臂和毛刷往复摆动执行擦拭清理动作。刷头连接臂和毛刷的连接处设有弹簧，弹簧向内拉紧毛刷贴合在超声波换能器的功能面上。

10、为防止遮挡超声波传输路径，机械驱动模块设置在所述对射式超声波风速传感器的探头处，包含电机盒和联轴器。直流电动机安装在电机盒内部，输出轴穿出电机盒并顺次通过联轴器与外部的刷头连接臂连接。电机盒上端区域设有定位块，定位块的安装位置与超声波换能器外径尺寸保持径向平齐设置。定位块在轴向方向对毛刷的活动范围进行实体阻挡。在非清洁时段内，毛刷驻留在定位块所在的限位处。

11、系统还包括换能器支架和l型固定板。换能器支架的板面区域预设开有与超声波换能器外径相适配的装配孔，超声波换能器的主体壳体穿过该装配孔并通过预设的密封胶圈和固定环进行端面压紧固定。换能器支架下端配合设有所述l型固定板，l型固定板垂直面通过预设的螺栓孔和紧固螺栓与换能器支架机械连接，l型固定板水平面上开设长条状孔位，用于与电机盒壳体进行装配固定。

12、系统还包括罩设在所述对射式超声波风速传感器外部的防护罩模块；防护罩模块的主体结构为不锈钢材质的防护罩，所述防护罩由分体式拼装壳体与活动连接部件组合构成可开启结构，通过活动连接部件实现壳体间的相对开合操作，在物理包覆隔离粉尘的同时兼顾内部设备维护。

13、智能控制模块集成于所述对射式超声波风速传感器内部。所述对射式超声波风速传感器通过预设的航插线缆直接向外部的直流电动机下发驱动指令，并同步利用所述航插线缆提供直流电动机运行所需的电能。

14、本发明提供了一种对射式超声波换能器自清洁系统。具备以下有益效果：

15、1、本发明通过提取瞬时风速数据的波动方差以及模拟数字转换采样值的均值下降差额和波动标准差，与设定的动态方差阈值和均值下降门限进行并行对比来生成清洁指令，该数据处理逻辑对粉尘遮挡引起的超声波信号衰减与失真情况进行了量化判定，将系统的运行模式转变为按需主动清洁，降低了因固定周期清洁造成的机械部件无效磨损，避免了清洁不及时导致的风速测量误差。

16、2、本发明在电机盒上端区域设置了与超声波换能器外径尺寸保持径向平齐的定位块，利用该定位块在轴向方向上对毛刷的活动范围进行实体阻挡，机械限位结构确保毛刷在非清洁时段能够稳定驻留在限定位置，防止毛刷停留在超声波换能器的功能面上，排除了清洁机构自身对声波直线传输路径的物理遮挡。

17、3、本发明将智能控制模块集成于风速风向传感器内部，通过航插线缆直接向外部的直流电动机同步下发驱动指令并提供运行电能，免除了对独立电源设备的依赖。配合机械端弹簧对毛刷的向内拉紧作用，以及l型固定板上长条状孔位提供的装配调节余量，简化了测风装置在复杂巷道环境中的接线工序与对中安装流程。

1.一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，包括机械驱动模块和智能控制模块；

2.根据权利要求1所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，所述雨刮器连杆结构包括刷头连接臂（2）和毛刷（1），所述直流电动机（6）运转带动所述刷头连接臂（2）和所述毛刷（1）往复摆动执行所述清洁，所述刷头连接臂（2）和所述毛刷（1）的连接处设置有弹簧（3），所述弹簧（3）向内拉紧所述毛刷（1）贴合在所述超声波换能器（7）的表面上。

3.根据权利要求2所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，所述机械驱动模块设置在所述对射式超声波风速传感器的探头处；

4.根据权利要求3所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，所述电机盒（5）上端区域设置有定位块（9），所述定位块（9）的安装位置与所述超声波换能器（7）的外径尺寸保持径向平齐设置，所述定位块（9）在轴向方向上对所述毛刷（1）的活动范围进行实体阻挡，在非清洁时段内所述毛刷（1）驻留在所述定位块（9）所在的限位处。

5.根据权利要求4所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，还包括换能器支架（8）和l型固定板（10），所述换能器支架（8）的板面区域预设开有与所述超声波换能器（7）外径相适配的装配孔，所述超声波换能器（7）的主体壳体穿过所述装配孔并通过预设的密封胶圈和固定环（11）进行端面压紧固定。

6.根据权利要求5所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，所述换能器支架（8）的下端配合设有所述l型固定板（10），所述l型固定板（10）的垂直面通过预设的螺栓孔和紧固螺栓（12）实现与所述换能器支架（8）的机械连接，所述l型固定板（10）的水平面上开设有长条状孔位，所述长条状孔位用于与所述电机盒（5）的壳体进行装配固定。

7.根据权利要求1所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，还包括罩设在所述对射式超声波风速传感器外部的防护罩模块；

8.根据权利要求1所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，所述智能控制模块集成于所述对射式超声波风速传感器内部，所述对射式超声波风速传感器通过预设的航插线缆直接向外部的所述直流电动机（6）下发所述驱动指令，并同步利用所述航插线缆提供所述直流电动机（6）运行所需的电能。

9.根据权利要求1所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，所述数据处理模块，用于对所述瞬时风速数据进行滑动窗口滤波计算，基于设定的时间窗口截取连续的瞬时风速采样序列，计算所述瞬时风速采样序列内各个瞬时风速采样点与所述设定的时间窗口内瞬时风速均值的离散程度获取所述波动方差；

10.根据权利要求1所述的一种对射式超声波换能器自清洁系统，其特征在于，所述智能控制模块，还用于在当前清洁动作结束后，将内部的所述计时模块作清零处理，同步将所述数据处理模块内所有设定的时间窗口内的数据缓存重置为初始状态。