超声波微位移及流量测量技术的研究

摘要

该课题研究的是一种新型超声波微位移传感器及流量测量装置.它是利用超声波原理进行检测的.测量系统具有良好的环境适应能力.尤其在恶劣环境下进行测量时,传感器具有其他仪器不可比拟的优越性.为了提高系统测量的准确性和精度,采用了提高计时器分辨率、多重滤波、声速校正以及波形分析算法等措施.主机使用新型高性能、低功耗、RISC结构、内载FLASH的单片机Atmega161.其功能主要是启动测量、分析波形、进行运算、通讯、显示和键盘响应等.系统采用了高速复杂可编程逻辑器件CPLD技术,在CPLD芯片内设计有高速双端口RAM、控制采样时序逻辑及CPU接口、总线等电路,采样速率高达80MHz,采样深度1K字节,很好地解决了超声波微位移传感器软件算法对采样的要求,并可实现在线升级,大大提高了系统的整体性能.为实现高精度的时间测量,在设计中提出了全新的接收波基准点位置判据.该文介绍了测量原理、传感器结构设计、硬件电路设计、软件功能设计以及自适应波形分析算法等.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文使用授权的说明

1引言

1.1新世纪初自动化仪表及传感器

1.2课题的提出和应用背景

1.2.1课题的提出

1.2.2课题的应用背景

1.3该领域的研究现状

1.4所研制传感器的特点和课题任务

1.4.1所研制传感器的特点

1.4.2课题任务

2理论基础

2.1超声波探头原理

2.2超声波的衰减

2.3测量原理

2.3.1位移测量原理

2.3.2流量测量原理

2.3.3工作流程示意图

2.4本章小结

3超声波传感器探头的设计

3.1传感器探头的结构设计

3.2传感器的材料选择

3.3本章小结

4影响性能指标的因素及解决方法

4.1测量环境因素

4.1.1流量测量的测量环境因素

4.1.2位移测量量程的限制

4.2声速对测量的影响及采取的措施

4.3提高测量分辨率和精确度

4.3.1分辨率

4.3.2精确度的提高

4.4本章小结

5超声波位移及流量传感器测量系统设计

5.1测量系统结构

5.2测量系统硬件电路原理与设计

5.2.1测量系统工作流程

5.2.2超声波发射电路

5.2.3超声波信号处理电路

5.2.4单片机

5.2.5键盘电路

5.2.6显示电路

5.2.7通讯接口

5.2.8看门狗电路

5.2.9 CPLD电路

5.2.10其它功能电路设计

5.3测量系统软件设计

5.3.1单片机程序

5.3.2 CPLD程序

5.3.3测量系统工作时序图

5.4本章小结

6波形分析算法

6.1主计数器和辅计数器

6.2重心算法

6.2.1实际波形

6.2.2算法的提出

6.3仿真结果

6.4本章小结

7实验及仿真结果

8超声波流量测量效果的校验

8.1校验方法

8.2校验和比较结果

结论

致 谢

参考文献