振动法测冰技术的研究及应用

摘要

本文研究一种基于振动原理的结冰测量方法。振动式结冰信号传感器的敏感元件是振管，由具有磁致伸缩能力的恒弹合金材料制成。当振管垂直立于磁场环境中时，在交变磁场的作用下产生磁致伸缩，即沿振管的轴向作简谐振动。当振管表面出现结冰时，其轴向固有频率会产生偏移，通过检测轴向固有频率偏移量，即可确定结冰状态。　　本文先是建立了基于杆的纵向振动的数学模型，并对模型进行了分析。运用MATLAB软件和试验模态分析技术对理论公式进行了验证，证明了振动体结构设计的合理性。后又在理论设计的基础上作了基于单片机系统的硬件电路和程序设计，制作出结冰信号传感器样品，并对传感器样品进行了测试和环境试验，试验结果与理论设计完全相符。　　论文最后用试验的方法对系统进行了标定，并给出了系统评价，并且对其应用前景进行了展望，对系统的进一步改进提出了一些设想，这为下一步的研究开发提供了有益的参考。

目录

文摘

英文文摘

哈尔滨工程大学学位论文原创性声明

第1章绪论

1.1引言

1.2课题的研究背景及研究意义

1.3国内外结冰信号传感器的研究及发展状况

1.3.1国外发展状况

1.3.2国内发展现状

1.4设计方案的选择

1.5论文的主要内容

第2章传感器模型的建立

2.1物理模型

2.2数学模型

2.2.1振管波动方程的建立

2.2.2波动方程的通解

2.2.3波动方程的定解

2.2.4振管的振型分析

2.2.5受迫振动时的响应分析

2.2.6周期激励作用下的受迫振动

2.3本章小结

第3章振管的模态分析

3.1一维弹性体的矩阵描述

3.1.1频率方程的解

3.1.2主振型分析

3.2基于MATLAB的有限元分析

3.2.1频率分析

3.2.2振型分析

3.2.3结果分析

3.3模态实验分析

3.4本章小结

第4章传感器的结构设计

4.1磁性材料的物理效应

4.2传感器的结构设计

4.2.1共振法的频率检测理论

4.2.2传感器的探头结构

4.3传感器的功能要求

4.4本章小结

第5章硬件电路设计

5.1检测与激励电路设计

5.1.1自激式电路原理

5.1.2差动放大电路

5.1.3过零检测电路

5.1.4移相电路

5.1.5脉冲形成及驱动电路

5.2单片机及其外围电路设计

5.2.1单片机芯片的选型

5.2.2温度测量电路

5.2.3显示电路

5.2.4芯片监控电路

5.2.5 RS-232通信接口

5.3控制信号输出接口电路

5.4本章小结

第6章算法和程序设计

6.1系统的软件实现及其流程

6.2模块程序设计

6.2.1测温模块程序设计

6.2.2显示模块程序设计

6.2.3通信模块程序设计

6.3基于单片机的应用算法

6.3.1数字滤波

6.3.2数据校验

6.3.3温度补偿算法

6.4本章小结

第7章测试结果及系统评价

7.1频率修正基值的标定

7.1.1误差分析

7.1.2频率修正值的标定方法

7.2结冰测量的标定

7.3系统评价

7.4系统展望

7.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历