微型超声波导测温仪设计

发布时间：2020-09-22 15:38

　　在工业生产和日常生活的各个方面,温度的测量占据着重要的地位,而且在很多情况下,对温度测量的准确度都有着极高的要求。并且随着科学技术的不断发展,对测温装置的要求也越来越高,但传统的测温装置还存在许多的不足之处,比如检测精度不高,需要手动保持数据,无法满足工业及其他领域自动化、智能化的要求。针对这一问题,本课题提出超声波导测温的方法,并研制了高温环境下的微型超声波导测温仪,所研制的样机实现了0~1800℃实时温度的测量,且分辨率小于2%,并实现了测温样机小型化、便携化,人机交互便捷美观的要求。本文对超声测温原理进行理论研究,并结合项目所需功能、特点,确定微型超声波导测温仪的设计方案,包括测温硬件系统和SOPC系统。其中硬件系统包括FPGA模块、系统电源电路模块、数模转换电路、超声波发射模块和超声波接收模块,实现了对超声波的发射和接收、信号采集以及存储。SOPC系统包括Nios Ⅱ软核处理器算法和人机交互界面的开发,软核处理器算法包括去燥算法、节点波与端面波坐标提取算法、节点波与端面波时延差算法,实现超声回波信号处理与计算;选用Usart GPU串口触摸屏来开发人机交互界面,实现便捷、准确的设置测温仪的系统参数,并直观的显示当前所测温度值、时延差和声速值。通过实验验证,设计的微型超声波导测温仪能够实时响应传感器外界条件的变化,且对1800℃以下温度的分辨率小于2%。实现在已知温度-时延差关系的情况下对高达1800℃温度进行测量。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH811
【部分图文】：

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图 2.1 半径为 r 表面自由的无限长圆柱在无限长圆柱中，沿 z 方向传播的超声波存在纵向(轴对称)、扭转(轴对称)和轴对称)三种不同的模态[35]，分别记为 L(0,m)，T(0,m)及 F(n, m)，其中 m 为模模态的周向阶次，如下图 2.2 所示。图 2.2 杆中导波模态示意图

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图 2.2 杆中导波模态示意图知，在同一频率下，以上三种模态的导波的传播速度存向导波在低频模态较少。纵向模态导波存在径向和轴移分量 u 0，u r、uz与无关[36]，考虑边界条件过求解波动方程可以得到著名的 PochHammer 频率方 2 2 2 0 1 1 0 a k J a J a 4k J a J a22Lc ，222Tc ，k 波数，J 贝塞尔函数，圆频率。于圆频率和波数的超越方程。通过数值求解可得如。在该图中可以看出，在频率为 1.5MHz 时，存在纵向

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图 2.3 杆中纵向导波频散曲线波传输理论级频散曲线可知，杆中的超声波频率越高如果频率太小，会导致缺陷回波和端面波重合影响测波频率尤为重要。测温原理计算节点波和端面波之间的时延差，来达到测温的目的回波信号（缺陷为人为刻的“伤”，缺陷到端面距离回波信号。随着温度的不断升高，波导杆中超声波的信号上表现为：（1）节点波和端面波的幅值会下降；（差会逐渐增大。本课题之所以不选择将幅值的变化作信号幅度的变化受到很多外界不确定因素的干扰，例

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