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1、理工类论文模板学校代码：10190研究生学号： 论文分类号： 密 级：无长春工业大学硕士学位论文模板学位论文题目： 小波分析在信号去噪中的应用专 业： 研究生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信 息来测量流体流量的新的测量技术。超声波流量计以其非接触、易于安装维护、不会 改变流体的流动状态、不产生附加阻力等优点在工业、民用等多领域获得了广泛的应 用。超声波流量计作为一种新型仪表，在市场上已经有产品问世，但由于存在一些技 术问题，仍没有得到普遍的应用。近几年，传感器技术、先进测量技术、微电子技术 的快速发展，为我们进一步研究

2、超声波流量计提供了条件，同时也推动了该仪表的产 业化进程。从2004年开始，课题组成员依托吉林省科学技术厅项目“无线温度传感 超声波新型热表研制”，开展了无线温度传感超声波新型热表的研制工作，其中超声 波流量计的研制是课题研究的重要内容，本论文就是在这种背景下开展的。目前，基于CPLD和MSP430的无线温度传感超声波新型热表已经研发成功，通 过了吉林省电子信息产品监督检验研究所的测试，各项性能指标均达到了合同的要 求，并于2008年3月通过了吉林省科技厅科技成果鉴定。本课题的主要目的是设计并制作超声波流量计，并对相关技术进行研究。主要研 究工作包括：首先简要介绍了流量计和超声波流量计的研究意

3、义、发展历史及其研究 现状；其次对超声波流速测量方法进行了理论分析，并在此基础上详细介绍了设计中 采用的时差法流速测量机理；在第三章中介绍了超声波流量计测量装置的硬件设计， 并重点介绍了测量装置的硬件电路以及超声波流量计的工作流程； 第四章中分析了超声波流量计设计过程中的关键技术，例如：静水测量水速不为零因素分析、流量计的 定标、低功耗设计、回波工作点等，同时给出了这些关键技术的具体解决方法。低功 耗设计是超声波流量计设计中一个关键环节，通过采用软、硬件微功耗设计，最终仪 表动态工作电流达到了 12卩A，静态工作电流达到23卩A，电池寿命10年以上，满 足了系统对备用电池的要求；第五章是超声波

4、流量计的实验研究部分，给出了超声波 流量计的测试数据，分析了超声波流量计测量误差产生的原因，并提出了提高测量精 度的三种方法；最后进行了全文总结。该超声波流量计具有始动流量小、压损小、功耗低、工作可靠、功能齐全等优点， 具有较好的市场应用前景。AbstractUltrasonic flow measuring technique which is a new measuring technique, can measure the velocity of flow according to the theory that ultrasonic can carry the information

5、 of the liquid when it transits the flowing liquid. Ultrasonic flow meter has many adva ntages such as: non-con tact ing, simple fixing and maintaining, not cha nging the liquid flow state, no additi onal resista nee etc. So ultras onic flow meter it is widely used in industry and civilian measureme

6、nt. Ultrasonic flow meter is a novel instrument and the products have appeared on the market. However, there are some technical matters of the products. So, ultrasonic flow meter hasn been applied widely. In recent years, sensors tech niq ue, measuri ng tech nique and microelectro nic tech no logy a

7、re develop ing rapidly. It provides the condition for further studies on ultrasonic flow meter, at the same time, it speeds up in dustrializati on. From 2004, all the members of the project group support the project of the Office of Scie nee and Tech no logy of Jili n provin ce, which called the dev

8、elopme nt of wireless temperature sen sor ultras onic n ew-type heat meters. Fabricati on of ultras onic flow meter is the importa nt research content of the project. This paper is started in this con text.At prese nt, the wireless temperature sen sor ultras onic n ew-type heat meters based on CPLD

9、and MSP430 is developed successfully. It has bee n passed the measure and test of research institute of quality supervision and inspection of electronic information in Jilin provin ce. Every performa nee in dex has reached the requireme nt of the con tract. It has bee n iden tified by Science and Te

10、ch no logy Bureau of Jili n Provin ce.The purpose of this project is to desig n and make an ultras onic flow meter and study the correlati on tech niq ue. The main developme nt works are: First, the sig nifica nee, the development history and the significanee of flow meter and Ultrasonic flow meter

11、are briefly introduced; second, theoretical analysis of fluid-velocity measuring methods is carried on, time differe nee method used in the desig n is in troduced in detail; The hardware design of the measurement equipment of ultrasonic flow meter is introduced in the third chapter, at the same time

12、, the hardware circuit of flow measuring device and the flow of work of ultras onic flow meter ware in troduced on detail; The key tech niq ues of ultras onic flow meter designing, which invoIve the calibration method of flow, low-power design, echo operating point, and so on, are analyzed in the fo

13、rth chapter, simultaneously, the solutio n is in troduced. Low power eon sumpti on is the key part duri ng the ultras onic flowmeter designing. The dynamic working current of the equipment drops to 12 识，the quiesce nt work ing curre nt can reach 23uA and the battery life reached more tha n 1(years;

14、The fifth chapter is the part of experime ntal study of ultras onic flow meter, the test datesare give n, the reas ons caus ing measureme nt error are an alyzed, the methods to in crease measuri ng accuracy are put forward;at last, the sixth chapter is the sum-up about the paper.The ultrasonic flow

15、meter has many advantages such as low starting flow, small pressure loss, low consume, operation reliable, fully functional and so on. It has good pote ntial applicati on of market.Key Words: Ultraso nic flow meter; Time differe nee method; CPLD; MSP430;摘要 I.ABSTRACT： II第一章绪论 11.1本课题的来源及研究意义 11.2流量计

16、概述 11.3超声波流量计 错误！未定义书签。1.4本文的主要研究内容 错误！未定义书签。1.5本章小结 错误！未定义书签。第二章超声波流量计流速测量机理研究 22.1流量的基本概念 22.2超声波测速方法分类 22.3超声波流量计时差法研究 .错误！未定义书签。2.4方案对比分析 错误！未定义书签。2.5本章小结 错误！未定义书签。第三章超声波流量计测量装置硬件设计 .错误！未定义书签。3.1CPLD器件的介绍 错误！未定义书签。3.2开发环境QUARTUS及开发语言 错误！未定义书签。3.3超声波传感器研究 错误！未定义书签。3.4超声波流速测量装置硬件电路 错误！未定义书签。3.5流速测

17、量装置的接口电路及工作过程 错误！未定义书签。3.6本章小结 错误！未定义书签。第四章 超声波流量计关键技术分析 错误！未定义书签。4.1静水测量水速不为零因素分析与解决方案 错误！未定义书签。4.2流量的定标 错误！未定义书签。4.3流量计低功耗设计 错误！未定义书签。4.4回波工作点测取与信号接收窗口设置 错误！未定义书签。4.5水流方向与换能器安装的关系 错误！未定义书签4.6流速分布修正系数 错误！未定义书签4.7本章小结 错误！未定义书签第五章 超声波流量计的实验研究 错误!未定义书签5.1超声波流量计测试 错误！未定义书签5.2 误差原因分析 错误！未定义书签5.3提高测量精度的方

18、法 错误！未定义书签5.4本章小结 错误！未定义书签结 论 .错误!未定义书签 5参考文献 6附录1 7附录2 8攻读硕士学位期间研究成果 9原创性声明、论文使用授权声明 10第一章绪论1.1本课题的来源及研究意义1.1.1本课题的来源本课题一一超声波流量测量的设计与实现是吉林省科学技术厅委托长春工业大 学承担吉林省科技发展计划中“无线温度传感超声波新型热表研制”项目中重要的研 究组成部分。1.1.2课题的研究意义我国的水资源相当缺乏，人均占有量远远低于国际平均水平， 而且分布也不平衡整体来说，东南部分水资源较为丰富，而西北由于降水少，水资源极度缺乏。1.2流量计概述1.2.1流量计的发展历史

19、自古以来，流量测量是人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一， 它广泛存在于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到 世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。第二章超声波流量计流速测量机理研究2.1流量的基本概念单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流量可用单 位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为体积流量，用 Q表示，单位为m3/s ；后者称为质量流量，用G表示，单位为kg/s跑。体积流量Q的计算式为：Q =u A （2-1）式中，A为与流速u相垂直的通道横截面积，单位是 m2 ； u为沿通道横截面上的 流体平

20、均速度，单位是m/s。质量流量G的计算式为：G 二匸 Q 二匸 us （2-2）式中，T为流体密度，单位是kg/m 3。2.2超声波测速方法分类超声波测速方法按照其测量原理大体可以分为：传播时间差法、波束偏移法、多 普勒法、噪声法、漩涡法、相关法等几种主要方法 222324。2.2.1传播时间差法超声波在流体中传播时，与声波在静止流体中传播的速度相比，顺流方向声波传 播速度会增大，逆流方向则会减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播时 间之差与被测流体流速之间的关系求得流速，称之传播时间差法。通过接收穿过流体 的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据时差的表现形式不同可以 分

21、为时差法、相位差法和频差法。1.频差法频差法是由顺流发射的一组超声波发射器 （）和接收器（R,）,及另一组逆流的发射 器仃2）和接收器（R2）各自组成发射-接收的闭路循环系统，其发射-接收的循环频率分别 为： 2.2.2波速偏移法超声波束在流体流动的影响下，其波束的方向会发生偏移。在超声波束与流动方 向垂直时，这一偏移更是明显，所以利用波束偏移法进行测量的超声波流量计均在垂 直流速方向上发射超声波。超声波束方向的偏移，是以接收换能器所接收的波束强度的差值变化来反映的，如图 2-1所示图2-1 波束偏移法原理图中1为发射器；2为放大器。如表2-1所示（其中tpd表示设计从输入到非寄存器输出的最小

22、数据延迟 ）表2-1 MAX7000系列器件集成密度和工作速度密度（宏单元）MAX7000S(5.0V)MAX7000AE(3.3V)MAX7000B(2.5V)最快 tpd(ns)32VVV3.564VVV3.5128VVV4.0160V6.0192V7.5256VVV5.0512VV5.5在MAX7000AE系列 器件结构中主 要包括LAB(Logic Array Block)、宏单元 (Macro-cells)、扩展乘机项 E-PT(Expander Product Terms)、可编程连线阵列 PIA(Programmable Interconnect Array)和控制块(10 Co

23、ntrol Block)。结论超声波流量计以其独特的优点在工业测量方面获得了较为广泛的应用， 但是由于超声波流量计本身的特点，在对小口径和慢流速流量的测量方面，测量的精度不高， 容易受测量环境的影响，稳定性和可靠性都较差。本文在深入研究传统超声波流量计 工作原理的基础上，对现阶段市场上超声波流量计进行分析，吸收利用了当代超声波 测量领域和电子行业的一些新技术，设计并实现了基于CPLD的时差法超声波流量计。致谢值此论文即将完成之际，谨向所有关心、帮助我的老师、同学、朋友和亲人表达 诚挚的谢意。本论文是在导师韩顺杰副教授的精心指导和悉心帮助下完成的。在三年的时间 里，韩顺杰老师在百忙之中给予了我学

24、习上的悉心指导和生活上的莫大关怀，使我对 导师充满深深的感激之情和无比的敬重之意。 韩顺杰导师对我学习的耐心指导和大力帮助使我的学业不断的取得进步，她认真务实的科研精神、广博的知识、孜孜不倦的 工作态度对我的学习是一种激励和鞭策。在此，我向韩老师表示深深的谢意和诚挚的 祝福。在本课题的研究工作中，我遇到了许多问题，尤文老师给予我耐心的指导和无私 的帮助。在此，我向尤文老师表示真诚的感谢。在课题的研究过程中，实验室的同学也给予我大量的帮助，在此我向他们表示感 谢。另外，在论文的撰写过程中得到了陈军、李征燕等硕士的帮助，在此向他们表 示深深的谢意。感谢4班全体研究生同学，三年来他们在学习、工作和生

25、活中给了我很多的帮助 和支持，使我的研究生生活收获很多，在此衷心的感谢他们！最后，要衷心感谢我的父母及家人，感谢他们多年来对我深深的无私的爱和毫无 保留的鼓励与支持。衷心的祝福他们身体健康，永远快乐！参考文献1李广峰，刘防，高勇时差法超声波流量计的研究J.电测与仪表，2000,37( 9):14-19.2蒋树义.单片机在超声波流量计中的应用研究 J.工业计量，2000( SO : 204-205 .UBz DPTS_E6_ED NG)c VncD NG-491MC14PT2 4 PT1PT2T2 pR1 2C1 5p2NsKesIsN IOROSu O2d K LcNI2d K Lc01123

26、14143.P3P3.33./处519361l0T3 pT4pR90MVCC1U5!OnfGND Yn .cVCCVCC74HC1 G1 415pY2C1 715pTDC-GP2外围电路图热表实物图附录2测量传感器中心频率部分程序清单#i nclude vpwmco ntrol_yjy.h#i nclude void pwm(char _PWMCTL_,char _PWMPOL_,char _PWMCLK_,char _PWMCAE_,char _PWMPRCLK_,char _PWMSCLA_,char_PWMSCLB_)PWMCTL=_PWMCTL_; /*8 位或 16 位选择 */PW

27、MPOL=_PWMPOL_; /*各通道输出波形极性选择寄存器：1:输出高；0:输出 低*/PWMCLK=_PWMCLK_; /*各通道时钟选择寄存器：*/PWMCAE=_PWMCAE_; /*1 :中心对齐排列；0:左边对齐排列*/PWMPRCLK=_PWMPRCLK_;/* 预分频 */PWMSCLA=_PWMSCLA_;PWMSCLB=_PWMSCLB_;void pwme(char _cha nn el,char onoff)volatile un sig ned char _pwme;if(onoff=0)_pwme=0x01;_pwme=_pwme_cha nn el;_pwme=

28、_pwme;PWME=_pwme&PWME;else if(ono ff=1)_pwme=0x01;_pwme=_pwme_cha nn el;PWME=_pwme|PWME;攻读硕士学位期间研究成果1基于非线性切换函数的砂轮动平衡系统变结构研究 计算机工程与应用2008年第四期第二作者2基于机器视觉的车灯定位误差检测方法研究 吉林大学学报 2005年12月 第四作者3一种有效改善整流电路输入电流波形的方法 沈阳师范大学自然科学版学报2006年第四期第三作者4基于TMS320LF2407的电力系统谐波分析的研究 仪器仪表用户2007年第六期第三作者原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本

29、人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期： 年 月 日论文使用授权声明本人完全了解长春工业大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅并制作光盘，学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，学校同时有权将本学位论 文加入中国优秀博硕士学位论文共建单位数据库。保密的论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：日期： 年 月 日