本文關(guān)鍵詞：基于超聲波的管道流體溫度測(cè)量方法研究

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【摘要】：超聲波溫度傳感器的物理基礎(chǔ)超聲波波速會(huì)隨著介質(zhì)溫度變化而變化的特性,實(shí)現(xiàn)超聲波波速與介質(zhì)溫度的數(shù)學(xué)建模是聲學(xué)溫度計(jì)的主要思路。時(shí)差法是超聲波波速測(cè)量的方法之一,如何精確計(jì)算超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)間,是超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。課題主要研究?jī)?nèi)容如下:1、本文針對(duì)溫度測(cè)量的高精度和快速響應(yīng)需求,采用FPGA作為主控芯片進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),搭建超聲波輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路和高速信號(hào)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)2MHz超聲波信號(hào)發(fā)射和采集。設(shè)計(jì)RS232串口通訊電路實(shí)時(shí)傳輸采樣數(shù)據(jù),通過(guò)上位機(jī)編寫(xiě)Lab VIEW程序,直觀的查看波形和溫度變化趨勢(shì)。2、應(yīng)用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),針對(duì)不同的外圍模塊和信號(hào)處理需求,采用自頂而下的設(shè)計(jì)方式將系統(tǒng)分割為八個(gè)行為級(jí)的功能模塊。主要包括:以DCM為基礎(chǔ),搭建時(shí)鐘管理模塊;結(jié)合DDS和正弦波LUT,控制超聲波激勵(lì)信號(hào)的輸出;使用串口通訊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互,設(shè)計(jì)了指令解析功能;使用大量的IP核優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如FIR數(shù)字濾波器、雙口RAM存儲(chǔ)器等;高速信號(hào)采集控制,系統(tǒng)工作流程控制狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。3、在過(guò)零點(diǎn)時(shí)差法計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,使用精確延時(shí)采集信號(hào)的方式,優(yōu)化了信號(hào)存儲(chǔ)量和數(shù)據(jù)分析量,設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)特征波提取和過(guò)零點(diǎn)搜索算法,超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精確到納秒級(jí)。4、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真、調(diào)試和驗(yàn)證,分別對(duì)特定流體進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),根據(jù)超聲波傳播時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,建立了超聲波波速和介質(zhì)溫度的數(shù)學(xué)模型。重復(fù)性和不確定度分析結(jié)果表明,該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】：FPGA 聲學(xué)溫度計(jì) 時(shí)差法 DDS Verilog HDL
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TK311
【目錄】：

• 致謝6-7
• 摘要7-8
• abstract8-14
• 1 緒論14-21
• 1.1 課題研究的背景和意義14-15
• 1.2 超聲波測(cè)量流體溫度原理15-18
• 1.2.1 時(shí)差法15-16
• 1.2.2 脈沖回鳴法16-17
• 1.2.3 脈沖迭加法17-18
• 1.2.4 共振干涉法18
• 1.2.5 相位比較法18
• 1.3 超聲波測(cè)溫技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-20
• 1.4 課題研究主要內(nèi)容20
• 1.5 本章小結(jié)20-21
• 2 超聲波管道流體溫度測(cè)量硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)21-31
• 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案21-22
• 2.2 超聲波換能器選型22-23
• 2.3 FPGA選型簡(jiǎn)介23-26
• 2.4 電源模塊26-27
• 2.5 超聲波脈沖發(fā)送電路27-28
• 2.6 高速信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)28-30
• 2.7 本章小結(jié)30-31
• 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)31-46
• 3.1 FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹31-32
• 3.2 DCM時(shí)鐘管理模塊32-33
• 3.3 超聲波信號(hào)發(fā)射控制33-35
• 3.4 濾波器設(shè)計(jì)35-38
• 3.4.1 濾波器類(lèi)型選擇36-37
• 3.4.2 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)37-38
• 3.5 雙口RAM存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)38-39
• 3.6 特征波提取和時(shí)差計(jì)算39-42
• 3.7 綜合控制42-44
• 3.8 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)44-45
• 3.9 本章小結(jié)45-46
• 4 系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析46-62
• 4.1 超聲波管道流體溫度測(cè)量系統(tǒng)性能測(cè)試46-48
• 4.1.1 超聲波信號(hào)發(fā)送和采集性能驗(yàn)證46-47
• 4.1.2 數(shù)字濾波器效果驗(yàn)證47-48
• 4.2 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析48-55
• 4.2.1 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹48-49
• 4.2.2 硅油介質(zhì)的溫度-波速數(shù)學(xué)建模49-53
• 4.2.3 靜態(tài)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定53-55
• 4.3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析55-61
• 4.3.1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹55-57
• 4.3.2 水介質(zhì)溫度-波速數(shù)學(xué)建模57-59
• 4.3.3 動(dòng)態(tài)流體溫度測(cè)量不確定度評(píng)定59-61
• 4.4 本章小結(jié)61-62
• 5 總結(jié)與展望62-64
• 5.1 論文總結(jié)62
• 5.2 展望62-64
• 參考文獻(xiàn)64-67
• 作者簡(jiǎn)介67

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1 Ф.Г.Зльдаров;崔均哲;;高熔點(diǎn)細(xì)傳聲管作敏感元件的高溫聲學(xué)溫度計(jì)[J];國(guó)外計(jì)量;1976年04期

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本文編號(hào)：862270