基于超聲波的管道流體溫度測量方法研究.pdf

1、超聲波溫度傳感器的物理基礎(chǔ)超聲波波速會隨著介質(zhì)溫度變化而變化的特性，實現(xiàn)超聲波波速與介質(zhì)溫度的數(shù)學(xué)建模是聲學(xué)溫度計的主要思路。時差法是超聲波波速測量的方法之一，如何精確計算超聲波在介質(zhì)中傳播時間，是超聲波溫度測量系統(tǒng)設(shè)計過程中的重點和難點。課題主要研究內(nèi)容如下：
　　1、本文針對溫度測量的高精度和快速響應(yīng)需求，采用FPGA作為主控芯片進行系統(tǒng)硬件設(shè)計，搭建超聲波輸出信號驅(qū)動電路和高速信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)2MHz超聲波信號發(fā)射和采集。

2、設(shè)計RS232串口通訊電路實時傳輸采樣數(shù)據(jù)，通過上位機編寫Lab VIEW程序，直觀的查看波形和溫度變化趨勢。
　　2、應(yīng)用Verilog HDL硬件描述語言進行軟件設(shè)計，針對不同的外圍模塊和信號處理需求，采用自頂而下的設(shè)計方式將系統(tǒng)分割為八個行為級的功能模塊。主要包括：以DCM為基礎(chǔ)，搭建時鐘管理模塊；結(jié)合DDS和正弦波LUT，控制超聲波激勵信號的輸出；使用串口通訊實現(xiàn)上位機和下位機的數(shù)據(jù)交互，設(shè)計了指令解析功能；使用大量的IP

3、核優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如FIR數(shù)字濾波器、雙口RAM存儲器等；高速信號采集控制，系統(tǒng)工作流程控制狀態(tài)機的設(shè)計。
　　3、在過零點時差法計算方法的基礎(chǔ)上，使用精確延時采集信號的方式，優(yōu)化了信號存儲量和數(shù)據(jù)分析量，設(shè)計了實時特征波提取和過零點搜索算法，超聲波傳播時間的測量精確到納秒級。
　　4、對系統(tǒng)進行了仿真、調(diào)試和驗證，分別對特定流體進行靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗，根據(jù)超聲波傳播時間實驗數(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