高精度超声波基准与实验方法研究

发布时间：2020-05-19 06:53

【摘要】：超声波相位法测距对超声波频率基准和相位基准的要求很高,因此研究高精度超声波基准对提高超声波测距的精度具有极其重要的意义。本文选用FPGA作为超声波频率基准和相位基准发生器,其中FPGA产生的超声波频率基准易于控制且不随外部因素影响,但FPGA产生的超声波相位基准则会受到器件、换能器等外部因素的影响。为实现对FPGA产生的超声波相位基准的精确测量和控制,需要构建一套完整的FPGA超声波信号源发生系统和精确的超声波相位检测系统。针对上述研究要求,建立FPGA+DDS硬件实验平台作为超声波频率基准和相位基准的实验装置。在上位机中设定FPGA+DDS实验平台输出的双路正弦波数据的频率、相位和幅度,通过双路A/D采集卡AC6684高速连续采样输出信号,用本文提出的相位差检测算法进行相位差测量,得出已设定的相位差数值与实际相位差数值的差。设定双路正弦波相位差间隔10°,从0°到90°共十组,每组做五次重复实验并计算五次数据的标准差。为了提高相位差检测的精度,本文提出整周期化算法将40kHz超声波数据整周期化,使其可以经FFT(快速傅里叶变换)变换到频域而不发生频谱泄漏。数据在频域中经过去噪处理后再经IFFT(快速傅里叶逆变换)转换到时域中进行相位差检测,用本文搭建的硬件实验平台生成39.0625kHz超声波整周期数据进行对照实验。为了模拟硬件平台和现实环境对超声波的干扰和衰减,生成等幅和不等幅的双路超声波数据进行对照实验;另生成一组白噪声数据,将其按比例缩小为超声波数据幅度的3%和5%的加性干扰数据和乘性干扰数据。将实验分为40kHz和39.0625kHz、等幅和不等幅、有干扰和无干扰、加性干扰和乘性干扰、经过频域去噪和未经频域去噪等对照实验组,记录实验数据、绘制数据图表并分析数据,为后续进一步的实验研究提供参考。
【图文】：

第一章 绪论第一章 绪论1.1 超声波及超声波测距声波是一种机械波，每秒钟声源振动的次数就是声音的频率。普通人的听觉可以感受到 20Hz 到 20kHz 频率的声波，按照这个标准把频率高于 20kHz 的声波称为超声波。超声波具有很多特殊的性质，它容易反射和接收，在多种介质中都可以传播，方向性好，易于获得较集中的声束，，可以传递巨大的能量，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用[1-3]。

1 2sin[ ( )]xP P P vA tv (1声波在单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积传播的能量定义为声强强的数学表达式如下：22PI v(1其中 为介质密度，v为声速。由于超声波以上一些固有的特点，使其天然的适用于非接触式距离测量。超测距主要方法有以下 3 种：1：渡越时间法一些手持式的超声波测距仪主要用的就是渡越时间法，该方法是利用超声介质中传播速度大致恒定且在一定范围内沿直线传播的特点，测量超声波发接收的时间差，通过计算时间和速度的乘积即可得到距离。该方法简单易行时只需发射一定数目的超声波脉冲，但波速会受到环境温湿度的影响，系统反够及时影响其实时性。如果测量距离过大也会影响测量精度，因此只能使用于测量的场合。结合其他方法如相位差法等可发挥较好的效果[9-10]。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O426

【参考文献】

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1 徐从裕;王诗豪;吴晓凤;刘治国;徐慧君;;基于超声波A/D采样法的相位差位移测量方法[J];计量学报;2016年06期

2 刘玉周;赵斌;;移相相关法计算相位差的研究[J];激光技术;2014年05期

3 涂亚庆;沈廷鳌;李明;张海涛;;基于多次互相关的非整周期信号相位差测量算法[J];仪器仪表学报;2014年07期

4 宋成军;何玉珠;;基于最小二乘法的控制舱相位差测量技术[J];电子测量技术;2014年04期

5 邹建;林强;王二锋;;基于FPGA的波形发生器设计[J];电子测量技术;2012年07期

6 沈常宇;郭宝金;;相位比较法高精度超声测距研究[J];传感技术学报;2010年06期

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8 张向珂;张世庆;闻凤连;田洪胜;;高精度相位法超声测距系统研究[J];传感器与微系统;2010年02期

9 高士友;胡学深;杜兴莉;刘桥;;基于FPGA的DDS信号发生器设计[J];现代电子技术;2009年16期

10 张海涛;涂亚庆;;基于FFT的一种计及负频率影响的相位差测量新方法[J];计量学报;2008年02期

本文编号：2670513