超声波流速传感器有模块图资料.docx

超声波流速传感器有模块图资料.docx

《超声波流速传感器有模块图资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波流速传感器有模块图资料.docx（71页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

超声波流速传感器有模块图资料

摘要

超声波流速传感器是以超声波在液体中传播，载上流体流速，通过信息处理，获取流速的一款智能仪器。

测量流速还可以为测量流量提供最直接的帮助，所以流速传感器作为超声波流量传感器的核心部分。

本论文主要是针对明渠的流速测量，在经过分析对比后，得到了使用时差法测流速的结论。

然而，超声波流速传感器是最近二三十年才得到研究生产并且投入使用的新型仪表，市场上各种各类的超声波流速传感器层出不穷，很多商家也处于观望的态度，毕竟刚刚研制出来的产品，质量还不够成熟，有些问题还没有得到解决，因此，在信息时代的今天，这种新型仪器是非常值得研究。

本论文是在查阅国内外大量相关文献，充分调研的基础上完成的。

在提高精确度的情况下缩减电路模块的使用，通过另类的时差算法，避免了温度对测量数据的影响。

以下是本论文主要的研究地方：

1.超声波在流体中传播的特性；超声波换能器的原理，选择以及使用方法；对几种不同的超声波流速传感器特别是时差法超声波流速传感器进行了理论的分析研究。

2.在对传统的时差法研究的情况下，发现其受温度的影响很大，不仅数据的准确性受到干扰，还要增加使用温度模块修正数据。

因此，改进了时差算法，避免温度的影响。

选取了高精度芯片TDC-GP2作为时间测量模块；设计了过零阀值比较电路，有效减少干扰信号。

3.在硬件设计方面：

以模块的形式，从接收到显示，逐一详细介绍。

在器件的选型，参数计算，匹配，提高精度等方面进行研究分析，以求达到高效能，低成本的硬件设计电路。

4.在软件设计方面：

结合硬件设计电路，设计出主流程图，编写主程序，再逐一研究设计各个功能模块，完成软件设计。

5.制作硬件电路的原理图。

关键词：

超声波时差法TDC-GP2明渠

Abstract

Ultrasonicflowsensoristransmittedintheliquidbyultrasonic,basedonvelocityofflow,throughinformationprocessing,obtainthevelocityofaintelligentinstrument.Measurementoftheflowratecanalsoprovidedirecthelpforthemeasurementofflow,sothevelocitysensorasthecorepartoftheultrasonicflowsensor.Thispaperismainlyaimedatthemeasurementofflowvelocityinthechannel,afteranalysisandcomparison,theuseoftimedifferencemethodofvelocitymeasurementresults.However,ultrasonicflowsensorisanewtypeofinstrumentinrecentlytwentyorthirtyyearsresearchproductionandputintouse,theultrasonicflowsensoronthemarketallkindsofemergeinanendlessstream,manybusinessesareinawait-and-seeattitude,afterall,hasjustdevelopedproducts,qualityisnotmatureenough,someproblemshavenotbeensolved,therefore,intheinformationageoftodaythisnewinstrument,isveryworthyofresearch.

Thisthesisisavailableinalargenumberofrelevantliteratureshomeandabroad,tocompletethefullinvestigationonthebasisofthe.Usingthereductionofthecircuitmoduleinimprovingtheaccuracyofthecase,thedifferencealgorithmoffbeat,avoidtheinfluenceoftemperatureonthemeasurementdata.Thefollowingisthemainresearchareas:

1.Characteristicsofultrasonicwavepropagationinafluid;theprincipleofultrasonictransducer,selectionandusemethodofultrasonicflowsensor;severaldifferentespeciallytransittimeultrasonicflowvelocitysensorareanalyzedtheory.

2.Intheresearchmethodoftimedifferencetothetraditionalcase,founditsgreataffectedbytemperature,notonlytheaccuracyofthedataisdisturbed,butalsoincreasetheuseofmoduletemperaturecorrectiondata.Therefore,thetimedifferencealgorithm,avoidingtheinfluenceoftemperature.SelectthehighaccuracychipTDC-GP2asthetimemeasurementmodule;designofthezerocrossingthethresholdcomparisoncircuit,effectivelyreducetheinterferencesignal.

3.Intheaspectofhardwaredesign:

bythemoduleform,fromthereceivertothedisplay,onebyonetointroduceindetail.Inthedeviceselection,parametercalculation,matching,improvetheprecisionandotheraspectsofresearchandanalysis,theballtoreachhighperformance,lowcosthardwarecircuitdesign.

4.Intheaspectofsoftwaredesign:

combinationofhardwarecircuitdesign,designedthemainflowchart,compilethemainprogram,thenthedesignofeachfunctionalmodule,softwaredesign.

目录

1绪论…………………………………………………………...…1

1.1研究意义…………………………………………………..................1

1.2历史背景以及现状…………………………………………...............2

1.3流量传感器的分类………………………………………….…...........3

1.4超声波的概念………………………………………….….…..............3

1.5超声波的特性………………………………………….………......…4

1.6超声波在明渠流速传感器中的应用……………………….…………5

2超声波流速传感器的分类与原理………………………......…5

2.1多普勒法的原理……………………….……………….………......…5

2.2相位差法……………………….………………………………………7

2.3直接时差法原理以及算法改正…………………………………….…8

2.4频率差法……………………….………………………………………9

3超声波流速传感器的硬件设计………………………..……...11

3.1总模块设计……………………….……………………………..….11

3.2超声换能器的设计……………………….……………………..……12

3.3超声波发射电路的硬件设计……………………….……………..…16

3.4超声波接收电路的硬件设计……………………….……………..…17

3.5切换开关的设计……………………….………………………..……24

3.6计时电路的设计……………………….………………………..……25

3.7微处理器的选型……………………….………………………..……28

3.8复位电路的设计……………………….…………………………..…29

3.9单片机晶振的设计……………………….………………………..…30

3.10显示电路的设计……………………….……………………………30

3.11M-BUS通信电路的设计……………………….……………………..35

3.12按键电路的设计……………………….…………………………..37

4超声波流速传感器的软件设计……………………....….38

4.1按键程序的设计……………………….………………….....…….38

4.2超声波发射程序的设计……………………….………………..….39

4.3计时程序的设计……………………….…………………..……….39

4.4TDC-GP2程序的设计……………………….………………...……..41

4.5显示程序的设计…………………….………………………..…….42

4.6通讯子程序的设计……………………….……………….………..43

5总结及展望……………………….……………………..……45

参考文献……………………….………………………..………46

致谢……………………….…………………………………..….47

附录……………………….………………………………..…….48

附录1系统原理图……………………….…………………….…....48

附录2部分功能实现子程序……………………….………….…….49

附录3外文文献翻译……………………….……………………....53

1绪论

1.1研究意义

从人类进入文明时代以来，就开始关注农业灌溉和水利问题，不断在寻找可靠的测量方式以求获得更多准确的信息。

古代埃及就出现了堰的雏形从而开启了测量的先河。

明渠是一种有自由表面（表面上各点受大气压强的作用）的水流渠道。

根据渠道的形成可分为天然和人工明渠。

前者如江河渠道；后者有人工输水渠道、运河以及没有充满水流的管道等。

明渠又名水渠、人造河流、河道、运河，狭窄的谷地。

在大雨洪涝灾害时，明渠可以有效泄洪。

在工厂区，明渠引导废水到海洋或废水处理厂。

在矿区，明渠有效疏导地下水，防止透水事故的发生。

在农业区，明渠作为农作物灌溉的水分来源。

火电厂引水和排水渠，城市供水引水渠等。

有效的采集明渠信息是对工农业发展，防止灾害，保护生命财产安全具有重大意义。

在很多行业对流速传感器的需求持续增长。

明渠流速传感器与其他封闭满管流量仪表不同，是在非满管状态下或敞开渠道具有自由便面自然流的流量仪表。

明渠原理的明渠流量计价格低廉、使用简单，因而在明渠流量测量中被广泛采用。

1.2历史背景以及现状

1928年德国科学家研制出第一台超声波流量计，并取得了专利。

时至今日超声波流量计以有76年的历史。

1955年首先应用于马克森（MAXSON）流量计测量航空燃烧油，这是循环法的两组探头（换能器）组成的液体流量计1958A.L.H-ERDRICH等人发明折射式探头，由于他们的研究可进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真，也为管外夹装提供了理论依据。

进入20世纪七十年代以后，由于集成电路和锁相环路技术的发展，使超声波流量计得以克服以前的成功精确度不高，响应慢，稳定性与可靠性差等致命弱点，使实用的超声波流量计得以发展。

近20年来特别是近10年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展，基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研究，超声流量测量技术取得了长足进展，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛。

2000年在巴西召开的国际流量测量学术会议（FLOMEK-O‘2000）上共宣读学术论文集103篇，其中直接涉及超声波流量计及超声波技术的论文20篇，约占论文总数的1/5。

在历次国际流量学术会议上，采用超声波流量计作为传递标准的文献愈来愈多，可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力。

现如今，流速计在国内外发展迅速，在欧洲发达国家均有相当多的流速传感器生产厂家和研究机构，有专业化的多类流速仪表生产企业，也有单一生产的小规模厂家。

大部分还是小规模单一性生产居多。

现如今美国已有超过200家，英国，法国和日本也均有50家左右。

具不完全统计我国有250多家，可以看出国内的需求量是很可观的。

我国近代测量技术发展比较晚，在自己生产之前都是靠从发达国家进口。

直到抗日战争初期才有自己的生产厂家，光华精密机械厂是我国第一家生产家用水表的工厂。

解放初期，文丘里管差压流量器在国内诞生，它是由新成仪表厂开发研制。

后来逐渐出现涡轮流量计和电磁流量计等。

现在我国也有相当规模的从事测量技术研究机构和生产厂家。

二十世纪末流量仪器已经超过25万台。

1.3流量传感器的分类

近几年来，广泛使用的流量传感器有：

差压式、涡轮式、电磁式、流体振动式、转子式、往复活塞式、旋转活塞式、冲击板式、分流旋翼式、热动式、超声波法。

1.4超声波的概念

从物理学的角度来看，声波属于声音的类别，是机械波中的一种，人类能听见的声波，频率范围为16Hz至20KHz。

若声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，如果高于20KHz，我们则称为超声波声波。

超声波因为其最低频率大约等于人的最高听觉频率而得名。

超声波方向性能好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测量距离和速度、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

声波按原理划分，可以分为检测超声和功率超声。

在医学、军事、工农业上有很多的应用，声波是物体作机械振动，传播能量的一种形式，所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

比如，鼓面经敲击后，鼓面上下振动，振动状态通过空气，液体或者固体向周围传播，就产生声波。

高于20KHZ频率的声波，人类是听不见的，人们把其叫做超声。

超声和可听见声其实是是一致的，它们的主要特点都是一种机械振动，是能量的传播形式。

不同点是超声频率高，波长短，在一定范围内，直线传播具有优良的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在2MHZ到5MHz之间，最常用的为3NHZ到3.5MHz（质点每秒振动1次为1Hz，1MHz=10^6Hz,即每秒振动达100万次）

1.5超声波的特性

超声波具有如下特性：

　　1）超声波在液体中传播时，在界面上能产生强烈的冲击和空化现象。

　　2）超声波可以在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

　　3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

　　4）超声波可传播较强的能量。

超声波效应的利用：

超声检验。

超声波频率高波长短，具有较好的方向性，能穿透不透明物质，超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术就是利用这一特性而做成。

超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。

把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。

上述装置称为超声显微镜。

超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。

声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。

用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：

一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。

物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。

超声处理。

利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。

1.6超声波在明渠流速传感器中的应用

明渠超声波传感器利用超声波检测技术，将检测到的超声波转化为电信号的传感器，一般分为两类，第一类是利用流速的变化的时间差法，频率差法，相位差法，其基本原理都是通过检测超声波在顺逆流的液体中的传播时差来反映流速所以又称之为传播速度差法。

时差法和频差法消除了温度对检测的影响，测量精度高，广泛被使用；第二类是利用超声波随流速而发生偏移，而反映的流速，称之为多普勒超声波流速法。

向明渠的液体中发射超声波，超声波在流动的液体中载上流速，再用接收探头也就是换能器将信息传送到微处理器上进行数据处理，最后得到流速。

超声波传感器是非接触测量仪器，不阻碍液体的流动，具有很高的测量精度。

在实际应用中，只需在明渠两岸安装上发射和接收探头就能采集数据。

2超声波流速传感器的分类与原理

2.1多普勒法的原理

多普勒频移法的原理是基于声波的多普勒原理，当声源与接收器发生相对运动时，接收器接收到的声波频率会随之发生频率变化。

当声源产生的波（声波、电磁波、光波等）向接收方向传播时，接收者接收波的频率会

增大；当波源背离接收者的方向传播时，接收者接收波的频率会减小。

当观察者相当于声源有相同的移动时，同样可以得出这种现象。

这种现象被称为多普勒效应。

由于在明渠流体中含有固体颗粒，固体颗粒可以反射超声波，超声波的频率随着水流的流动产生相对接收者不同的频率声波，通过对频率与流速之间的关系，从而获取流速。

测量原理图如2.1图。

换能器B

水流方向。

。

。

颗粒的流速方向V

。

。

。

。

θ

换能器A

图2.1多普勒频移法的原理图

图中换能器A代表发射换能器，换能器B代表接收换能器，V为流体中固体颗粒相对换能器的速度，发射超声波与颗粒运动的速度方向之间的夹角为θ。

设换能器发射的超声波频率为f1,经过流体中固体颗粒散射，散射超声波所产生的多普勒频移为

，颗粒接收到的超声波频率为f0,换能器B所接收到的超声波频率为f2，超声波传播速度为C，根据多普勒效应定理可知

当声源固定，接收器向声源靠近f=f0

当接收器远离声源时f=f0

;当接收器固定时，声源向接收器靠近时f=f0

当声源远离接收器接收器f=f0

。

换能器向颗粒发射超声波，颗粒为第一个接收器，接收频率f0=f1

:

当颗粒作为发射器向换能器B发射超声波时，接收频率为f2=f0

=f1

.

多普勒频移

=f1-f2=2f1

;vcosθ相对于c非常小，原式=2f1

.

2.2相位差法

相位差法超声波流速测量原理如图2.2所示。

图中管道口径为D,流体以速度ν流过管道,A,B为发射换能器,A′,B′为接收换能器,θ为超声传播角,c为超声波在流体中的传播声速。

超声正程发射接收过程由发射换能器A发出的超声波,沿顺流方向穿过流体,由接收换能器A′接收,顺流传播的时间为

′=

。

超声逆程发射/接收过程由发射换能器B发出的超声波,沿逆流方向穿过流体,由接收换能器B′接收,逆流传播的时间为

′=

（2）

由式

（1）,

（2）可得顺逆程超声波传播时间差为Δt=

′-

′（3）

相位差法测量的物理量是两组信号的相位差。

当两个发射换能器发射连续的超声波信号时,两个接收换能器接收到的信号之间产生的相位差为

Δφ=2πfΔt（4）式中,f为超声波频率。

由式

（1）-（4）可得流体流速为ν=

=kΔφ

图2.2相位差法的原理图

2.3直接时差法原理以及算法改正

为流速方向和超声波传播方向的夹角，当

为锐角时，称之为顺流；当

为钝角时，称之为逆流。

超声波信号在动态介质（流体）中，与静态介质（流速为零）相比，顺流时信号传播速度增加，传播时间减小，同样逆流时超声波信号传播速度减小，传播时间增加，从而顺逆流方向超声波信号传播时间存在一个差值（即时差）。

利用超声波在横向穿过流动的液体时,在其顺流和逆流介质中,其超声波的速度有差异而形成速度差（时间差）。

图2.3.1中，A和B分别为两个超声波换能器，V为液体流速，H为明渠宽度，θ超声波进入液体的入射角。

t1为换能器A发射、B接收时，超声波在明渠中传播时间，即顺流时间；t2为换能器A，B接受时，超声波在明渠中传播时间，即逆流时间。

具体方法如下:

当从A到B顺流发射超声波时，声波基本上顺流传播，速度快时间短，其传播时间为:

t1=L/（c+v*cos

）

（1）

图2.3.1时差法原理

当从B到A逆流发射超声波时，逆流传播、速度慢、时间长，即

t2=L/（c－v*cosθ）

（2）

式中:

L为2个换能器之间的距离;c为超声波在静止的流体中的流速;v为被测流体的平均流速;θ为2个超声波换能器线与管道所夹的锐角。

两种方向传播的时间差Δt为:

Δt=t2－t1=2Lvcosθ/（c2－v2cos2θ）（3）

由于v＜＜c，v2cos2θ可忽略，故有Δt=t2－t1=2Lvcosθ/c2（4）

即v=c2Δt/（2Lcosθ）（5）

L=

当流体中声速c为常数时，流体的流速v与Δt成正比，测出时间差即可以求出流速v，进而得到流量。

值得注意的是，一般液体中声速往往是在1500m/s左右，而流体流速只有每秒几米，如要求流速测量的精度达到1%，则对声速测量的精度需为

～

数量级，这是难以做到的，更何况声速受温度的影响不易被忽略，所以该方法不易实现流量的精确测量。

文中提出另一种测量方法，速差法，可以有效解决以上问题。

速差法测流量的测量原理为:

当从A到B