【摘要】：在國(guó)防工業(yè)與航空航天領(lǐng)域,為減少在高溫環(huán)境下對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的損耗和在高溫環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),對(duì)高溫測(cè)量設(shè)備的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和精確性提出了越來(lái)越高的要求。同時(shí)測(cè)溫裝置的小型化、智能化成為測(cè)溫設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。目前常用的測(cè)溫設(shè)備仍有許多不足之處,比如檢測(cè)精確度不高、對(duì)測(cè)溫環(huán)境條件苛刻或設(shè)備笨拙、測(cè)溫周期較長(zhǎng)。本文利用超聲導(dǎo)波測(cè)溫方法設(shè)計(jì)便攜化超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀實(shí)現(xiàn)對(duì)300℃~1800℃溫度的實(shí)時(shí)、精確檢測(cè)。本文通過(guò)對(duì)超聲導(dǎo)波測(cè)溫原理的研究,結(jié)合設(shè)計(jì)要求,確定便攜式超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀設(shè)計(jì)方案。采用以藍(lán)寶石(AL_2O_3)為敏感元件材料的超聲導(dǎo)波測(cè)溫傳感器,該測(cè)溫傳感器可在氧化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的快速響應(yīng)。便攜式超聲導(dǎo)波測(cè)溫系統(tǒng)包括測(cè)溫硬件系統(tǒng)和基于NiosⅡ處理器的SOPC系統(tǒng)。其中測(cè)溫硬件系統(tǒng)包括:FPGA硬件控制模塊、數(shù)字采集模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、超聲波發(fā)射和接收電路。基于NiosⅡ處理器的SOPC系統(tǒng)包括:通過(guò)在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)總線IP核,實(shí)現(xiàn)NiosⅡ處理器與外部邏輯模塊數(shù)據(jù)的快速傳輸。通過(guò)在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分離模塊,實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波回波信號(hào)的節(jié)點(diǎn)波和端面波快速分離,并且對(duì)所采集到的無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。最后在NiosⅡ處理器中實(shí)現(xiàn)超聲回波信號(hào)處理。從而實(shí)現(xiàn)測(cè)溫裝置的便攜化,本文采用Usart GPU觸摸式串口屏為測(cè)溫裝置的顯示和控制界面,實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲測(cè)溫裝置的參數(shù)設(shè)置和測(cè)溫值的實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)過(guò)對(duì)便攜式超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀樣機(jī)的多次驗(yàn)證和分析,所設(shè)計(jì)的便攜式超聲導(dǎo)波測(cè)溫儀能夠?qū)Ρ粶y(cè)溫場(chǎng)的溫度變化實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。并且在氧化環(huán)境下對(duì)1800℃以下溫度檢測(cè),其分辨率小于2%。
【圖文】：

中北大學(xué)學(xué)位論文據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出以下函數(shù)關(guān)系[28]：2E a bT cT（22 d eT fT（2中 a、b、d、e、f 為常量，由超聲導(dǎo)波測(cè)溫傳感器的敏感元件材料決定，式 2.2 和 2.3 帶入式 2.1 得：22deTfTabTcTC （2.圖 2.2 所示，在進(jìn)行高溫檢測(cè)時(shí)超聲波在波導(dǎo)桿中傳播，傳至刻傷處時(shí)有射，稱之為節(jié)點(diǎn)波，剩余部分傳至波導(dǎo)桿端點(diǎn)是反射，稱為端面波。設(shè)刻端點(diǎn)的距離為 S ，端點(diǎn)波和節(jié)點(diǎn)波反射致傳感器的時(shí)延差為 t ，則聲速tSc 2（2

超聲波在波導(dǎo)桿傳播時(shí)，不同模態(tài)的超聲波，頻散程度不同。如圖2.3（a）所示，扭轉(zhuǎn)模態(tài)為非頻散模態(tài)，其相速度恒等于橫波速度，群速度恒定。彎曲模態(tài)（F 模態(tài)）存在兩個(gè)方向上的位移，在相同頻率范圍內(nèi)其模態(tài)數(shù)相對(duì)較多，，模態(tài)的頻散現(xiàn)象最為嚴(yán)重。綜上所述，本文選取超聲導(dǎo)波的模態(tài)為縱向模態(tài)。如圖 2.3（b）所示縱向模態(tài)在 50Hz~6MHz 只有一種。并且 50Hz~3MHz 的頻帶內(nèi)，無(wú)頻散現(xiàn)象、群速度和相速度最大，回波信號(hào)可以最先到達(dá)接收端容易區(qū)分。綜上所述，本文選取 1MHz 頻率的脈沖信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)。縱向模態(tài)導(dǎo)波分為軸向位移分量和徑向位移分量。其條件為周向位移分量 u ，ru 、zu 與 無(wú)關(guān)[30]。當(dāng) r 時(shí) 0rrrz ，由 Poch Hammer 方程得： 4010201221J a kJ aJ a k J aJ a （2.5）式中：2222kcL 、2222kcT ， 為導(dǎo)波頻率，k 為波數(shù)
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH811;TB559

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本文編號(hào)：2711429