基于空气耦合超声传感器的气体流量计研究与设计

摘要

随着人类社会的发展，全球性能源和水资源缺乏的出现，人们对各领域的流量测量要求越来越高。相应地，流量测量装置发展也随之加快。随着超声波检测技术的迅猛发展，作为流量检测的重要仪表，超声波流量计成为近年来流量检测领域的一大亮点。从目前的应用情况来看，超声波流量计在计量精度、可靠性、压力损失、维护以及制造成本等方面相比其他计量设备都有自己独特的优势。
　　超声波流量计主要有时差法超声波流量计和多普勒超声波流量计等。其中多普勒法只能检测带有微粒的不纯净流体，而时差法流量计没有这方面的限制，因此得到广泛应用。由于超声波在气体中传播时衰减较快，气体流量检测中的超声波流量计较少。本文采用新型的空气耦合超声传感器设计一个时差法气体流量计。具体工作包括以下内容：
　　1．查阅国内外相关资料，了解超声波流量计设计原理。针对测量的对象为气体，选用了新型的空气耦合超声传感器，其中心频率为200KHz，在峰峰值为10V的信号激励下，10cm处能接收到35mV的信号，灵敏度远高于其他传感器。
　　2．根据设计需求，采用ARM芯片STM32F407搭建了系统框架，完成了系统的硬件电路设计。
　　应用STM32F407自带的模数转换器生成传感器激励信号。由于DAC生成的信号幅度为0-3.3V，无法直接激励传感器使其正常工作，本文用ADA4700-1设计了放大电路对激励信号进行放大。针对超声波在空气中传播损耗较大，传感器接收到的信号很弱，本文用 AD8421设计了放大倍数可调的放大电路对信号进行放大。本文还用 AD8066设计了一个带通滤波器，用于削弱电路中的噪声信号，提高信噪比。采用芯片自带的模数转换器采集信号，由于其采集范围为0-3.3V，本文用AD8066设计了相应的偏置电路来调节信号幅度。
　　3．以 STM32F407为控制芯片，完成了系统软件设计。主要包括激励信号的生成，接收信号的采集，OLED的流量显示和数据存储等。同时，利用芯片的数字信号处理库函数对信号进行了进一步处理和计算，完成了流量测量。
　　4．利用设计的系统进行了时差法流量检测实验，并对实验结果进行了分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的主要研究内容

第二章 超声波流量计原理

2.1流量计分类及其原理

2.2超声波流量计

2.3本章小结

第三章 基于ARM的超声波流量计系统

3.1超声波传感器模块

3.2超声信号调理模块

3.3信号采集处理模块

3.4本章小结

第四章 超声波流量计硬件电路设计

4.1激励信号放大电路

4.2信号调理电路

4.3信号采集处理电路

4.4电源

4.5抗干扰设计

4.6本章小结

第五章 软件设计及实验数据处理

5.1系统软件设计

5.2数据处理

5.3实验及结果分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献