脈沖壓縮編碼激勵(lì)超聲氣體流量測(cè)量研究.pdf

1、傳播時(shí)間法超聲氣體流量測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一是精確檢測(cè)超聲信號(hào)順、逆流傳播時(shí)間差。本文借鑒雷達(dá)領(lǐng)域的脈沖壓縮技術(shù)，針對(duì)機(jī)械波(超聲)相對(duì)于電磁波(雷達(dá))的特殊性，提出了一種“脈壓編碼+相關(guān)測(cè)時(shí)”的超聲流量測(cè)量方法。經(jīng)典信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論分析、Matlab仿真及實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，低信噪比時(shí)，相關(guān)處理較門限電平法有更高的正確檢測(cè)概率，而編碼激勵(lì)較傳統(tǒng)單脈沖激勵(lì)有更低的時(shí)延估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。
　　開(kāi)發(fā)了基于FPGA的編碼激勵(lì)超聲流量測(cè)量平臺(tái)，

2、并詳細(xì)介紹了各構(gòu)成模塊的實(shí)現(xiàn)方法及時(shí)序關(guān)系。系統(tǒng)配置靈活，改變少數(shù)參數(shù)就可產(chǎn)生各種編碼類型、各種帶寬的二進(jìn)制相位編碼(2PSK)信號(hào)，還可產(chǎn)生不同時(shí)寬帶寬積的線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)。
　　根據(jù)壓電換能器電聲暫態(tài)效應(yīng)理論建立了二進(jìn)制相位編碼(2ASK)超聲流量測(cè)量系統(tǒng)模型，給出了2ASK編碼的一般步驟和測(cè)試波形。實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2ASK激勵(lì)下的超聲信號(hào)形狀受壓電超聲換能器和傳播信道(流體介質(zhì))影響，在2.5~16m/s的流速范圍內(nèi)

3、，最大誤差達(dá)39.4％，最大重復(fù)性達(dá)3.33%。
　　系統(tǒng)地研究了包括2PSK和LFM在內(nèi)的相位調(diào)制實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)討論了相關(guān)時(shí)延估計(jì)環(huán)節(jié)的基準(zhǔn)信號(hào)選擇問(wèn)題，提出使用順、逆流零流速接收信號(hào)的雙基準(zhǔn)，可有效補(bǔ)償超聲換能器和放大濾波電路造成的延遲；成對(duì)回波理論定性分析表明，壓電換能器會(huì)引入系統(tǒng)失真，導(dǎo)致脈沖壓縮峰值偏移及流速測(cè)量誤差；在標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了流速范圍3.0m/s~18.9m/s的管道實(shí)流實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明時(shí)延估計(jì)性能隨

4、回波混疊程度增大而降低；先相關(guān)后取包絡(luò)，可充分利用載波的精細(xì)化結(jié)構(gòu)和較完整的信號(hào)信息，流速的平均讀數(shù)誤差約為先取包絡(luò)后相關(guān)方法的1/2，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為其1/3。峰值模糊性導(dǎo)致較高流速時(shí)(18.9m/s)，最大誤差達(dá)30%，標(biāo)準(zhǔn)偏差2m/s，引入適當(dāng)?shù)姆蔷€性處理技術(shù)，如加窗峰值搜尋和時(shí)間/空間中值濾波，上述指標(biāo)分別降至3.3%和0.35m/s；以流速測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差和讀數(shù)誤差為指標(biāo)，對(duì)比研究了編碼激勵(lì)的類型、周期數(shù)和帶寬等參數(shù)，發(fā)射功率相同條