便携式超声导波工业测温仪系统设计

摘要

在国防工业与航空航天领域，为减少在高温环境下对生产设备的损耗和在高温环境下对产品的稳定性进行检验时，对高温测量设备的实时性、稳定性和精确性提出了越来越高的要求。同时测温装置的小型化、智能化成为测温设备的发展趋势。目前常用的测温设备仍有许多不足之处，比如检测精确度不高、对测温环境条件苛刻或设备笨拙、测温周期较长。本文利用超声导波测温方法设计便携化超声导波测温仪实现对300℃~1800℃温度的实时、精确检测。 本文通过对超声导波测温原理的研究，结合设计要求，确定便携式超声导波测温仪设计方案。采用以蓝宝石（AL2O3）为敏感元件材料的超声导波测温传感器，该测温传感器可在氧化环境下实现对温度变化的快速响应。便携式超声导波测温系统包括测温硬件系统和基于NiosⅡ处理器的SOPC系统。其中测温硬件系统包括：FPGA硬件控制模块、数字采集模块、信号预处理模块、超声波发射和接收电路。基于NiosⅡ处理器的SOPC系统包括：通过在FPGA内设计数据总线IP核，实现NiosⅡ处理器与外部逻辑模块数据的快速传输。通过在FPGA内设计数据分离模块，实现超声导波回波信号的节点波和端面波快速分离，并且对所采集到的无效数据进行删除。最后在NiosⅡ处理器中实现超声回波信号处理。从而实现测温装置的便携化，本文采用Usart GPU触摸式串口屏为测温装置的显示和控制界面，实现对超声测温装置的参数设置和测温值的实时显示。 经过对便携式超声导波测温仪样机的多次验证和分析，所设计的便携式超声导波测温仪能够对被测温场的温度变化实现快速响应。并且在氧化环境下对1800℃以下温度检测，其分辨率小于2%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 研究内容及章节安排

第二章 超声导波测温原理及设计方案

2.1 超声导波测温原理

2.2 超声波在波导杆中传播特性

2.3 超声导波测温传感器

2.3.1敏感元件材料选择

2.3.2聚能器高效耦合

2.3.3 超声换能器原理

2.4 便携式超声导波测温仪

2.4.1硬件系统设计方案

2.4.2基于NiosⅡ处理器的SOPC系统设计方案

2.4.3显示界面设计方案

2.5本章小结

第三章 测温硬件系统设计

3.1 超声发射电路

3.1.1 窄脉冲触发信号

3.1.2高压脉冲激励信号

3.2 超声回波接收电路

3.2.1 压控增益可调电路

3.2.2 D/A转换电路

3.2.3 无限增益带通滤波电路

3.3 数字采集存储电路

3.3.1 A/D转换电路

3.3.2 数据存储模块

3.3.3 信号预处理模块

3.4 本章小结

第四章 基于NiosⅡ处理器的SOPC系统

4.1总线传输模块设计

4.1.1Avalon总线概述

4.1.2 Avalon-MM总线寄存器接口

4.1.3外设IP核封装设计

4.2 Qsys系统搭建

4.2.1 NiosⅡ处理器

4.2.2 SDRAM IP核设计

4.2.3 RS-232模块设计

4.3 Usart GPU串口触摸屏显示界面开发

4.3.1触摸式串口屏内部原理

4.3.2 Usart GPU串口触摸屏显示界面设计

4.3.3 Usart GPU串口触摸屏界面开发与控制

4.4 超声测温算法实现

4.4.1节点波和端面波分离与坐标提取

4.4.2获取节点波和端面波的时延值

4.4.3渡越时间与温度的关系

4.5本章小结

第五章 样机性能分析及测验

5.1样机介绍

5.2 测温实验平台

5.3样机性能指标验证和分析

5.3.1样机稳定性分析

5.3.2样机准确性验证分析

5.3.3样机实时性分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢