超声波时差法测量.docx
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超声波时差法测量
题目：
超声波传输时差法的测量
姓名：
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学号：
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班级：
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同组成员：
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指导教师：
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日期：
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关键词：
超声波流量计，时差法，换能器，脉冲
第一部分:
摘要
1.中文摘要：
超声波用于气体和流体的流速有许多优点。
和传统的机械式流量仪表，电磁式流量仪表相比它的计量精度高，对管径的适应性强，非接触流体，使用方便，易于数字化管理等。
近年来，由于电子计术的发展，电子元器件的成本大幅度下降，思潮申博流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
根据其原理，研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了一定的探讨和研究：
根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了相关了解。
针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响。
在多种测量原理及方法下，这里我们则采用的是多脉冲测量法的原理和应用。
当然，我们还要结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行详细的分析和设计，讨论器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了换能器发射和接收超声波的等效电路，当其换能器发射超声波时，相当于换能器给相应的计数环节给以上升沿脉冲使其开始计数，同理，当换能器接收超声波时也产生一个上升沿脉冲，来作用于相对应的计数器使其停止计数。
针对超声波流量计的工作环境，由于条件的限制，我们只能在普通环境下进行我们的课题设计。
对造成超声波流量测量误差的各种因素我们也只能进行常规的分析以及改进。
2.英文摘要：
TheFVultrasonicflowmeterisdesignedtomeasurethefluidvelocityofliquidwithinaclosedconduit.
Thetransducersareanon-contacting,clamp-ontype,whichwillprovidebenefitsofnon-foulingoperationandeasyinstallation.
TheFVtransit-timeflowmeterutilizestwotransducersthatfunctionasbothultrasonictransmittersand
receivers.Thetransducersareclampedontheoutsideofaclosedpipeataspecificdistancefromeachother.ThetransducerscanbemountedinV-methodwherethesoundtransversesthepipetwice,orW-methodwherethesoundtransversesthepipefourtimes,orinZ-methodwherethetransducersaremountedonoppositesidesofthepipeandthesoundcrossesthepipeonce.Thisselectionofthemountingmethoddependsonpipeandliquidcharacteristics.Theflowmeteroperatesbyalternatelytransmittingandreceivingafrequencymodulatedburstofsoundenergybetweenthetwotransducersandmeasuringthetransittimethatittakesforsoundtotravelbetweenthetwotransducers.Thedifferenceinthetransittimemeasuredisdirectlyandexactlyrelatedtothevelocityoftheliquidinthepipe.
第二部分：
目录
1设计任务和要求…………………………………………………………6
……………………………………………………………6
……………………………………………………………6
2系统设计…………………………………………………………………6
……………………………………………………………6
3单元电路设计……………………………………………………………3.1单元电路A（单稳态触发电路）…………………………………电路结构及工作原理……………………………………………
电路仿真…………………………………………………………
元器件的选择及参数确定……………………………………………
3.2单元电路B（七段显示数码管电路）………………………………电路结构及工作原理…………………………………………
电路仿真………………………………………………………
元器件的选择及参数确定……………………………………………
4系统仿真……………………………………………………………………
……………………………………………………
……………………………………………………
5电路安装、调试与测试……………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
测试方法设计………………………………………………………
测试结果及分析……………………………………………………
6结论…………………………………………………………………………
7参考文献……………………………………………………………………
8总结、体会和建议
第三部分：
第一章：
设计任务及要求
1.设计测量超声波正、向传输时间及传输时差的电子线路。
2.设计数码管显示电路，实时显示上述测量值。
3.给出有关器件的选型和参数整定依据。
4.分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施。
5.画出系统详细的硬件接线图。
6.完成实验室仿真、模拟调试，实现主要功能要求。
7.完成设计说明书（含参考文献，器件型号及参数一览表）
8.答辩中能比较准确地回答所提出的问题。
9.加选项：
完成流速的计算。
第二章：
系统设计及要求
系统要求：
设计测量超声波正、向传输时间及传输时差的电子线路。
设计数码管显示电路，实时显示上述测量值。
给出有关器件的选型和参数整定依据。
分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施。
画出系统详细的硬件接线图。
完成实验室仿真、模拟调试，实现主要功能要求。
完成设计说明书（含参考文献，器件型号及参数一览表）。
答辩中能比较准确地回答所提出的问题。
加选项：
完成流速的计算。
第三章：
单元电路设计
1.设计测量超声波正、向传输时间及传输时差的电子线路
555定时器是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟与逻辑功能巧妙地组合在一起，具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。
555定时器配以外部元件，可以构成多种实际应用电路。
广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通信产品等电子设备中。
下图是一个555定时器应用实例：
晶体管简易测试仪。
将晶体管接入由555定时器及外接元件构成的振荡器，被测管放大输入的振荡信号,将输出送给扬声器。
根据扬声器的发声，可对被测管性能进行定性的测试。
若扬声器无声，说明管子已损坏；若扬声器声音小，则说明管子的小；若扬声器声音大，则说明管子的大。
多谐振荡器是555应用的基本电路，是指电路没有稳定状态（即方波发生器），只有两个暂稳态，其功能是产生一定频率和幅度的矩形波信号，其输出状态不断在“1”和“0”之间变换。
在加电状态下，由于电容C上电压不能突变，故555芯片处于置位状态，u。
=1，放电管TD截止（7脚与地断开），Vcc通过R1，R2对电容C进行充电，当uc上升到时，u0=0，TD导通，电容C端电压通过R2和放电管TD对地进行放电，uc下降。
当uc下降到时，u0又由0变为l，TD截止，Vcc又经R1和R2对C充电。
如此重复上述过程，在输出端u0产生了连续的矩形脉冲。
其中，R1，R2和C是定时元件，它们决定了电路的充放电时间。
其中，Tl≈0．7（Rl+R2）C，T2≈0．7R2C。
555构成多谐振荡器工作可靠，调节方便，在信号产生、工业控制、电源变换、仿声等领域获得了广泛的应用，但其振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫兹；且其频率稳定性较差，易受电源波动、温度变化等影响。
555定时器的功能
其功能如表
表1555的功能表
输入
输出
VTH
VTR
OUT
放电三极管T
D
d
0
导通
1
截止
>VR2
不变
>VR1
>VR2
0
导通
由555定时器构成的多谐振荡器的电路结构如图6.14（a）所示。
2）工作原理
如图6.14（b）所示，假定零时刻电容初始电压为零，零时刻接通电源后，因电容两端电压不能突变，则有UTH==UC=0＜，OUT=“1”，放电管截止，直流电源通过电阻R1、R2向电容充电，电容电压开始上升,充电时间常数τ=（R1＋R2）C；当电容两端电压UC≥时，UTH==UC≥，那么输出就由一种暂稳状态（OUT=“1”而放电管截止）自动返回另一种暂稳状态（OUT=“0”而放电管导通），由于充电电流从放电端D入地，电容不再充电，反而通过电阻R2和放电端D向地放电，电容电压开始下降，放电时间常数τ=R2C；当电容两端电压UC≤时，UTH==UC≤，那么输出就由OUT=“0”变为OUT=“1”，同时放电管由导通变为截止；电源通过R1、R2重新向C充电，重复上述过程。
3）振荡周期
振荡周期T=。
t1代表充电时间（电容两端电压从上升到所需时间）
t1≈0.7（R1+R2）C
t2代表放电时间（电容两端电压从下降到所需时间）
t2≈R2C
因而有T=≈0.7（R1+2R2）C
对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个参数占空比q，
q=
tP——脉宽。
输出波形一个周期内高电平所占时间
T——周期
故图6.13（a）所示电路输出矩形波的q=
这部分的设计是超声波的产生和接收的过程，在这里我们用单稳态触发电路模拟其超声波的发射和接收过程，来控制计数器。
其电路图如下：
图
当换能器发射超声波时相当于此电路Q端输出如图，发射时相当于产生一个上升沿脉冲让相应的顺流计数器计数，或是让其相对应的逆流计数器计数。
当换能器接收超声波时也让其产生一个这样的上升沿脉冲来让其相对应的计数器停止计数。
2.设计数码管显示电路，实时显示上述测量值
七段数码显示管是计数器环节的重要部分，七段数码显示管记录了顺流和逆流的时间，这样便能得到其时间差。
其七段数码显示管电路图如下：
图
上图是计数器，它由七段显示数码管、相应的电阻、4511译码管组成。
七段显示数码管显示的数字模拟的事顺流或逆流超声波穿过流体所用的时间或是和信号源相对应的高电平脉冲数。
在《
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