超声波幅相调制法气体介质温度测量系统研究

发布时间：2017-07-13 10:35

  本文关键词：超声波幅相调制法气体介质温度测量系统研究

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【摘要】：温度测量对于工业过程的实时监控、设备安全运行等领域有重要意义,获取准确的测量温度是一个有挑战性的问题。传统的温度测量方法按测量方式分类大致分为接触式和非接触式测量两类。接触式测量方法具有结构简单、价格低廉等优势。然而,由于检测部分接触被测对象,对被测对象原本的温度分布状态造成影响,导致测量误差。非接触式测量方法不干扰被测对象温度分布,弥补了接触式测量的缺陷,已获得了广泛地关注。由于超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得集中的声能等特性,可适应光线昏暗、粉尘浓度大、有毒有害介质及强电磁辐射等极端测量场合,被广泛应用于温度测量领域。本文主要研究超声波气体介质温度测量方法。主要的研究工作为：(1)基于超声波传播的基本规律和热力学理论,阐明了超声测温的原理；指明了超声波传播速度与介质温度的关系；明确了准确获取飞行时间(TOF)测量数据是超声温度测量的基础。(2)研究分析了多种飞行时间测量方法的原理和优缺点,为了避免接收波前缘延时的问题,并克服阈值法、互相关法、相位差法等方法的缺点,采用了幅相调制法测量超声波气体介质中的飞行时间,可以快速简单地实现超声波飞行时间的首尾节点标定。(3)设计并制作了超声波温度测量系统。以STC单片机为核心器件,综合应用超声波换能器、放大电路、多路开关、施密特反向触发器、上位机等硬件设备,以及通过单片机计时器测量TOF的软件流程,实现TOF数据测量。分析了超声波温度测量系统的误差,研究了电气误差、TOF测量方法的误差和环境误差的主要原因及系统误差对测量结果的影响,为实现超声波气体介质温度测量奠定了基础。(4)采用实验方法证明了超声波温度测量系统设计的合理性和方法的准确性,明确了气体介质中温度的测量范围(35℃-90℃)和测量精度,并提出了一种改进的幅相调制波形,提高了系统的测量速度和效率。
【关键词】：超声波 温度 气体介质 飞行时间
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH811;TB559
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究的背景和意义11-13
• 1.1.1 常用的温度测量方法11-13
• 1.2 超声温度测量方法13-16
• 1.2.1 国外研究现状13-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.3 本文的研究内容16-18
• 第2章 超声波温度测量原理和方法18-29
• 2.1 超声波温度测量基本理论18-21
• 2.1.1 超声波传播的基本规律18-20
• 2.1.2 热力学理论20-21
• 2.2 超声波温度测量方法21-28
• 2.2.1 飞行时间法21-23
• 2.2.2 飞行时间的测量方法23-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 超声波温度测量系统设计29-46
• 3.1 超声波温度测量系统硬件设计29-41
• 3.1.1 超声波发射接收装置29-32
• 3.1.2 控制电路32-35
• 3.1.3 信号处理电路35-39
• 3.1.4 其他电路39-41
• 3.2 超声波温度测量系统软件设计41-43
• 3.3 超声波温度测量系统误差分析43-45
• 3.3.1 硬件电路的电气误差43
• 3.3.2 TOF测量方法的误差43-44
• 3.3.3 环境误差44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 超声波温度测量实验46-60
• 4.1 超声波温度测量系统实验平台46-49
• 4.2 验证实验一：换能器工作状态实验49-50
• 4.2.1 换能器工作状态实验过程49
• 4.2.2 换能器工作状态实验结果49-50
• 4.3 验证实验二：幅相调制方法可行性实验50-53
• 4.3.1 幅相调制方法可行性实验过程50-51
• 4.3.2 幅相调制方法可行性实验结果51-52
• 4.3.3 幅相调制方法的改进52-53
• 4.4 验证实验三：TOF测量实验53-55
• 4.4.1 TOF测量实验过程53
• 4.4.2 TOF测量实验结果53-55
• 4.5 验证实验四：距离测量实验55-56
• 4.5.1 距离测量实验过程55
• 4.5.2 距离测量实验结果55-56
• 4.6 温度测量实验56-58
• 4.6.1 温度测量实验过程56-57
• 4.6.2 温度测量实验结果57-58
• 4.7 实验结论58
• 4.8 本章小结58-60
• 第5章 总结与展望60-62
• 5.1 总结60
• 5.2 展望60-62
• 参考文献62-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果65-66
• 致谢66

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