超声波换能器性能测试仪的设计与实现

发布时间：2017-09-27 21:18

  本文关键词：超声波换能器性能测试仪的设计与实现

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【摘要】：超声波流量计具有可靠性高、安装维修简便、小流量段灵敏度高等特点,在流体流量计量中被广泛应用。超声波换能器具有实现电能与机械能相互转换的功能,是超声波流量计的关键组成部分,超声波换能器的性能指标以及用于流体流量检测的一对换能器的性能参数是否匹配,直接影响流体流量计量的精确度。目前国内对于超声波换能器的性能评价缺乏统一的标准,流量计企业普遍忽视了对换能器参数配对的研究。因此,对超声波换能器性能测试的研究具有重要意义。针对目前超声波换能器性能测试中专用测试仪器成本高,分项测试的指标单一、测试繁琐、效率低的问题,本文基于超声波流量计用超声波换能器的性能测试,设计一个成本低、多参数测试的超声波换能器性能测试仪。提出测试换能器的谐振频率与反谐振频率、谐振阻抗与反谐振阻抗、发射与接收信号的幅值三大项测试内容,旨在对超声波换能器的综合性能进行评定,为评价超声波换能器的技术指标是否合格,以及两个换能器是否适用于同一台流量计提供较为科学合理的依据。本文以FPGA为主控制器,通过触摸屏控制选择测试项目并显示测试结果。FPGA作为激励信号发生器,采用先倍频后分频的方式产生各测试项所需的激励信号,响应信号经过信号调理电路后采用高速A/D转换器进行模数转换,用Verilog HDL实现对数据的采集与预处理。扫频激励信号下,通过比较不同频率激励信号下的采样数据得到换能器的谐振频率与反谐振频率,并在触摸屏上直观的显示频率特性曲线。针对替代法测试换能器的谐振阻抗与反谐振阻抗时存在人工读取、记录数据的缺点,引入恒流源电路,实现等效阻抗的自动计算和存储。针对现有幅值测试仪激励信号单一、需要人工调节示波器并读数的问题,本文实现了激励信号可任意设定,并通过时序控制分别对发射信号与接收信号进行采样,将幅值信息直接显示在触摸屏上。使用Verilog HDL将UART的核心功能集成,采用串口通信将测试数据发送到上位机,通过上位机对数据进行处理并配对。最后,对多个厂家的换能器进行测试实验,将测试数据与专用测试仪器测得的数据进行对比。对比结果表明测试仪的精确度满足设计需求,能够实现对超声波换能器的性能评价。
【关键词】：超声波换能器 性能测试 FPGA 触摸屏
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH814.92;TB552
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题来源及研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及分析10-12
• 1.3 主要研究内容12-13
• 第2章 相关基础知识13-22
• 2.1 超声波换能器简介13-19
• 2.1.1 超声波及其特点13-14
• 2.1.2 超声波换能器14-18
• 2.1.3 超声波换能器性能指标及分析18-19
• 2.2 超声波流量计原理19-21
• 2.2.1 时差法流量计量原理19-20
• 2.2.2 流量计用换能器性能指标20-21
• 2.3 本章小结21-22
• 第3章 测试仪的设计22-54
• 3.1 设计分析与论证22-25
• 3.1.1 设计需求分析22-23
• 3.1.2 方案论证23-25
• 3.1.3 整体设计25
• 3.2 硬件设计25-36
• 3.2.1 FPGA外围模块25-28
• 3.2.2 控制模块28-30
• 3.2.3 信号调理模块30-34
• 3.2.4 A/D转换模块34-35
• 3.2.5 通信模块35-36
• 3.3 固件设计36-53
• 3.3.1 触摸屏设计36-42
• 3.3.2 激励信号的产生42-46
• 3.3.3 数据采集与处理46-51
• 3.3.4 上位机通信51-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第4章 测试与数据分析54-75
• 4.1 实验平台搭建54-59
• 4.1.1 比对设备与测试对象54-55
• 4.1.2 测试环境55-59
• 4.2 测试数据分析59-74
• 4.2.1 一致性判定59-62
• 4.2.2 各测试项数据分析62-74
• 4.3 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-80
• 附录1测试仪整体电路原理图80
• 附录2测试仪PCB板实物图80-82
• 致谢82

【参考文献】

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1 罗吉娟;超声流量计换能器性能检测系统设计与实现[D];华南理工大学;2012年

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本文编号：931945