【毕业学位论文】基于ARM的超声波风速测量系统设计-系统分析与集成

南京信息工程大学硕士学位论文基于晶申请学位级别：硕士专业：系统分析与集成指导教师：唐慧强20080501摘 要风速是气象测量的一个重要要素，利用超声波进行风速测量现如今得到广泛的应用，技术已经很成熟。当超声波在空气中传播时，受到风速的影响，顺风和逆风情况下存在一个时间差，基于这个原理制成的时差法超声波风速测量仪表，具有精度高、可靠性强、集成度高等优势，并可以与雨量、湿度等测量仪表构成完整的移动气象站，与传统的机械式仪表、电磁式仪表相比，具有较强的优势，其关键参数是系统的测量精度。有丰富的片上资源，高达60且功耗很小，适合作为智能仪表的核心处理器。本文给出了基于以实现风速的测量、显示、精度调节以及与上位机之间的通信等功能。系统硬件电路包括字电路，并采用模块化进行设计。这种思想大大简化了系统硬件电路设计的复杂性，增强了系统的稳定性与可靠性。软件部分根据超声波信号的特点，选用新型的构造包络的方法，在准确判断超声波到达时间的问题上有所改进。文章共分六个部分。第一章绪论介绍了超声波风速测量仪表的发展现状、本篇论文选题的目的和意义、所做的工作以及创新点。第二章介绍了超声波风速测量的基本原理。第三章是介绍基于四章是系统的软件设计。第五章是系统的误差分析。第六章是全文的总结以及就下一步的工作提出一些设想。关键词：声波，时差法，风速测量iS an in is to he by is it in of of n on it of t of he of is RM is a 32 onis up 0M t is to an n of 32 is t C by 剐M7 as of it,as of iS 11e is a of of my he of of he 11e up RM 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。2、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。3、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。4、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。5、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。作者签名：越日 期：垒壁查：!兰学位论文使用授权声明本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。作者签名：生猖日期：游鱼：生南京信息工程大学硕士学位论文11研究背景及意义第一章前言风速测量在工业生产和科学实验中都有广泛的应用，尤其在气象领域，风速测量更有着重要的价值。风速测量，常用的仪表有杯状风速计、翼状风速计、热敏风速计和超声波风速计。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计利用热敏探头，其工作原理是基于冷冲击气体带走热元件上的热量，借助一个调节开元器件保持温度恒定，此时调节电流和流速成正比。这种测量方法需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响因而增减原理制成的超声波风速仪表，与其它各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便；不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化川。目前超声波风速测量仪表仍然广泛地采用传统的816位单片机，而且它们仅仅具有基本的测量显示功能，在人机界面、数据查询以及网络通信功能方面比较欠缺。采用32位用丰富的片上资源，在体积、功耗和速度等方面具有较强的优势，在风速测量领域越来越受到重视。12国内外研究历史及发展状况超声波可用于测量，是因为在超声波在传播过程中，会加载流体的流速信息，这些信息经过分离处理，便可以得到流体的流速。利用超声波测量已经有近百年的历史，德国人吕特根于1928年提出了用两个声信号的时差法测量流速的可能性，并发表了一篇关于此问题的专利文章，但由于当时技术无法实现，此发现只能停留在理论研究上，并未实现。30年代，相位差流量计首先被研制出来【2J。50年代初期，美国科技工作者提出的“鸣环”测量法就是通过多次循环将时差扩大后再进行测量，这种测量方法使时间测量精度大大提高，弥补了电子技术的不足，为超声波流量计进入实用化走出了关键的一步。1955年，美国研制成功世界上第一台超声波流量计，它采用的就是“鸣环”时差法。这种流量计反映时间慢，测量周期长，而且在循环测量中的任意一个干扰信号或者中断都会造成此次测量的无效，系统稳定性和可靠性差。70年代中后期，大规模集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的相环路)技术的应用，使得超声波流量计的稳定可靠性得到了初步的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法、锁相频差法等。该类方法测量周期短，响应速度快，而南京信息工程大学硕士学位论文且几乎完全消除了声速对测量精度的影响。80年代，超声波测量出现了新的方法，比如射束位移法、多普勒法和相关噪声法等等。同时，微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革。以微型计算机为主体，将计算机技术与检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪器仪表”。智能化仪器仪表不仅解决了传统仪器仪表不易解决或不能解决的问题，还能简化了仪表电路，提高了仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。近十年来，高速数字信号处理技术以及微处理技术的发展，都为超声波测量技术提供新的发展契机，其发展潜力是显而易见的【3】。超声波应用于气体测量虽然早已提出，但是由于技术等方面因素的限制，超声波只能用于液体流量的测量，不能应用于气体，只是在20世纪80年代开发出了成本更低的数字电子技术、高速数字处理技术、数字超声技术等现代先进技术之后，落后的模拟超声技术才逐渐被取代，直到90年代才真正实现了高精度超声波气体流量计【4l。从国内、外超声波气体测量发展来看，国外机构开展这项工作的时间较早，到现在为止已经形成较为成熟的产品。当今世界，超声波流量计用于气体流量计的研究与开发方面，荷兰的工国的销售份额也排在前几位。日本在超声波气体流量计的设计方面也具有很大的优势，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短响应时间方面有独到之处国的超声波流量计设计工作起步比较晚，但由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已经开始批量生产并投入使用。风速测量这一领域，国内比较先进的是上海华岩仪器设备有限公司生产的2外比较先进的是意大利3超声波风速测量的实现方法采用超声波进行气体流速测量可以采用三种形式：时差法、多普勒法和涡街风速测量法【61。131传播时差法时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速的【7】，根据时差的表现形式不同可以分为直接时差法、频差法和相位差法。直接时差法最早应用于超声波流量计，它适用于大、中口径管道及敞开水道流量的测量，但是此法受温度影响比较大，其发展方向是提高计时精度和设法降低温度对测量精度的影响。随着电子技术与计算机技术的进步，以及新的信号处理方法的出现，时差法应用于气体流速测量已经可以达到很好的精度。频差法是循环多次的直接法，此法的精度是直接时差法的循环次数倍，适用于中、小口径管道，优点是精度高、受温度影响较小，缺点是受环境影响大，工作不稳定。相位2南京信息工程大学硕士学位论文差法是将时间差转换为相位进行测量。132多普勒法当测量含有悬浮粒子或者气泡的流体流速时候，发射超声波信号的多普勒频移为：=一一广=2V工 (131)其中：，接收信号频率1式可得气体流度为：y=考刍 f 7由上式看出，气体流速与超声波的传播速度成正比关系，而超声波在传播过程中，其速度受到温度的影响，因此应用超声波多普勒方法测量的过程中，必须进行温度补偿，以提高测量的准确性。此方法只适用于不纯净的流体测量，应用于风速测量方面存在一定的局限，但是此种方法对流速变化的灵敏度比其他方法好得多锄】。133涡街风速测量超声波涡街流量计利用用超声波相位解调方式检测 01。应用相位差测量流量时，如果换能器发射连续超声波脉冲或者周期较长的脉冲波列，则在顺流和逆流发射时接收器所接收的信号之间便要产生相位差妒=t。其中矿，厂为超声波频率，为两个接收器先后分别接收到的时差。相位差法避免利于提高测量的精度。但流量方程中仍包含有声速声速变化要造成流量测量误差。在漩涡发生体下游的尾流区、管道的同一周上安装了两组超声波换能器，从两个部位(z，f，)发出连续的、强度不变的两束超声波，在管道中心部位交叉，由对面的接收换能器变换为电信号&、舅，并由相位比较器检出。设在流场中没有漩涡时接收信号为瓯，则。=存在漩涡时，则在流体传播的超声波会调制，设这一调制量3南京信息工程大学硕士学位论文为，则由于对于S、S。、S，为：S。=o)，S2 k )。由于随设超声波的相位差为振幅值，则有=0，其中日为超声波的振幅，厂为以比较S、的相位即可得到：2=20。即由于从相反的方向各检测出一个漩涡信号，故在相位上能检出具有2倍灵敏度的漩涡信号。此种测量方式只适用于管道气体流速测量，对于开放式的风速测量具有一定的局限性。14本课题的工作及主要创新点超声波风速测量属于速度式仪表，在刚开题的时候，对系统进行可行性研究，从以上的几种方案中选取时差法作为风速测量的理论基础。在课题确定之初，通过查阅大量资料，并考虑到测量精度的要求以及超声波风速测量的特殊性，在探头的选取以及改造方面做了适当的前期准备工作。查阅文献，发现超声波探头的尺寸与所发出的超声波的性质直接相关，故对探头的尺寸进行了选择，并依据参考文献对探头加以改造，在探头前端加上方向选择透镜。系统硬件设计是本课题的重点研究内容，硬件结构整体设计是对方案设计的具体化实现。本系统采用模块化设计的思想，根据功能对系统进行模块划分，设计中考虑到各个模块之间接口的可靠性以及较强的抗干扰能力。系统分为六个模块，分别为超声波的收发模块、数据采集模块、信号处理模块、人机接口模块、电源模块以及与上位机通信模块。利用以达到测量所需的分辨率与精度。软件部分也是本论文的主要工作所在。因为超声波风速测量的精度关键在于准确判断超声波的到达时间。在解决该问题上，利用希尔伯特变换建立接收信号的包络，然后把包络本身看作某一随机时间序列的功率谱，利用自回归谱估计的方法，建立该随机过程的得一个波形更光滑、波峰更尖锐的功率谱波形，找到功率谱的波峰位置，以此作为超声波的到达时间，如此便可以方便地、精确判断超声波到达时间。同时微控制器软件设计采用了模块化设计方法，增强了软件系统的可移植性、可读性和稳定性。利用仿真器进行调试，基本满足设计要求。15论文章节安排本文首先介绍了时差法超声波的基本工作原理，基于统采用信号进行控制和处理，实现了超声波信号的采集、数字信号处理以及各种外围接口的设计。软件功能上实现了超声波信号的发射控制和数据接收，利用希尔伯特变换、而比较4南京信息工程大学硕士学位论文理想地解决了时差法超声波风速测量的关键的问题，即准确地得出超声波从发射时刻开始到达接收换能器的时间。论文研究内容和章节安排如下：第一章为绪论，介绍了本课题的背景与意义、研究历史与国内外现状以及超声波风速测量的几种方法。第二章详细介绍了超声波、超声波换能器的知识，并详细介绍了时差法超声波风速测量的基本原理。第三章给出了以及各个功能模块的设计。第四章介绍了系统的软件设计，包含启动代码、系统初始化、数据采集处理、液晶显示和串口通讯部分。第五章为系统的误差分析。第六章为文章的总结以及对将来工作的展望。5南京信息工程大学硕士学位论文第二章时差法超声波风速测量的基本原理21超声波当某种物质的内部发生机械扰动时，该物质内部就产生了声波。这种机械波扰动可以是各种形式的，表征振动特性的是频率，即单位时间(1s)内所完成的周期性运动的次数。人类所能听到的声波的范围介于20频率超过20低于20|。超声波与一般的声波相比，它的振动频率高、波长短、具有束射特性、可以定向传播、具有很高的穿透能力，在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。超声波之所以得到广泛应用，是因为超声波具有以下几个优势： 超声波具有较好的指向性，频率越高，指向性越强。 频率高时，相应地波长将变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟，设置波长可远小于试样材料的尺寸。 超声波用起来很安静，这一点在高强度的工作场合尤为重要。此外超声波的传播速度和温度也直接相关。在25的空气中，超声波传播速度的理论值为346625ms，并且随着温度的下降，其传播速度有所下降。在O时，其传播速度降为33145 ms。超声波的传播速度与温度之间的关系可以用公式C=33145+o607中度单位为ms。由于本系统在进行风速测量时，在求出风速的同时，可以得到超声波的传播速度，因此通过相应的换算可以得出测量时刻空气的温度。22超声换能器声波的发射和接收是通过换能器来完成的。换能器是一种可以把一种形式的能量转换为另一种形式的能量的器件，而超声换能器是一种将超声能转换成电能、机械能或其他一些形式的能量的器件。可逆换能器则是指可以以相等的效率对两种形式的能量做相互转换的那种换能器。目前较为常用超声波换能器是压电式超声波换能器。压电换能器采用那些能够呈现出压电效应的材料制成的。压电效应是由皮埃尔居里与雅克居里兄弟于1880年发现的，压电效应天然地存在于某些具有极轴的单晶体中。当把具有压电特性的某种晶体材料切割成圆片状或者方片状，并在这两个平面上涂上金属薄膜作为电极，若有机械压力压在涂有电极的表面上时，则会在两个电极面上分别引起等量异号的电荷，因而两电极间会生成一个可观测的电压，这是正向压电效应。当在两个电极上施加一电压，使之在晶体内形成一6南京信息工程大学硕士学位论文个电场时，就会得到反向压电效应，此时晶体将承受一机械应变。本系统采用市场上常见的频率为40成超声波声能与电能之间的相互转换口51。压电陶瓷换能器具有机电转换率高、容易成型、造价低廉等优点，而且通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声波换能器，如发射型、接收型和收发一体型。23时差法风速测量的基本原理超声波在空气中传播时，在顺风与逆风方向传播存在一个速度差，当传播固定的距离时，此速度差反映成一个时间差，这个时间差与待测风速具有线性关系u。在实际应用中，可以选用两对超声波换能器，保证距离不变，以固定频率发射超声波，测量两个相对方向上的超声波到达时间，由此得到顺风的传播速度和逆风的传播速度，经过软件换算即可得到风速值。系统设计中，采用一对收发一体的超声波探头，顺序发射超声波。首先作为接收探头，进行测量时得到一个时间，然后作为接收探头得到相对方向上的另一个时间，具体原理图见图21。图21时差法超声波风速测量原理图顺风情况下，超声波由换能器：+1， (231)逆风情况刚好相反，超声波由换能器相减，即：一1， (232)保证两对探头之间的距离三不变，则有顺风传播时间为：，=三(233)(234) 2 (n34)7一团一尸黼勰卜一一困澎啵制声南京信息工程大学硕士学位论文当测得与时，则可以得到风速：v：墨虹二幺!以及超声波在无风状态下的速度：c：墨丝刍! 匕因为超声波在空气中的传播速度与温度存在如下关系，得到测量时的空气温度为r：14506078(235)(236)C=33145+0607T，由此南京信息工程大学硕士学位论文第三章系统硬件电路设计现有的超声波风速仪仍然广泛地采用816位单片机作为核心处理器，控制各功能模块，功能简单，并且一般需要台式机作为上位机进行数据管理。本系统采用32位用丰富的片上资源设计出基于内核的以实现风速的测量、显示、精度调节以及与上位机的通信等功能。31系统总体设计系统采用收信号经过前置放大、滤波、主放大后进行A换数据送至算风速和当前测量的温度，并控制显示。键盘用来调节精度以及显示方式。系统支持串口通信，可将测量数据传至上位机进行保存，便于以后的数据分析。系统结构框图如图31所示。图31系统结构框图9南京信息工程大学硕士学位论文32 i 2介绍321 微处理器行业的一家知名企业。该企业设计了大量高性能、廉价、低功耗的关技术及软件。技术具有高性能、成本低和能耗省的特点。件和个厂商得到的都是一套独一无二的用这种合作关系，前，总共有30家半导体公司与中包括合于多种应用领域，基于上的市场份额12。样也使器件的功耗非常低。为它集成了非常典型的个大的、统一的寄存器文件；加载存储结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作；简单的寻址模式，所有加载存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定；统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。同时 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(移位器进行控制，以实现对 地址自动增加和自动减小的寻址模式实现了程序循环的优化； 多寄存器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量； 所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。这些在基本代码规模、低功耗和小的硅片储存方面取得了良好的平衡。一系列提供相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、终止模式、未定义模式和系统模式。这些模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断和异常处理改变，大多数应用程序运行在用户模式。除了用户模式外，其它模式均为特权模式，外，特权模式可以自由地切换处理器模式，而用户模式不能直接切换到别的模式。快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式和未定义模式统称为异常模式。它们除了可以通过程序切换进入外，也可以由特定的异常进入。当特定的异常出现时，处理器进入相应的模式。每种模式都有某些附避免异常退出时用户模式的状态不可靠。322 0多家芯片生产厂家，以及干变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难。在进行根据应用角度进行选择，考虑以下一些因素：果希望使用需要使用统时钟，它决定了见的33部存储器容量也是一个重要因素，在不需要大量存储器时，可以考虑选用有内置存储器的不需要外扩存储芯片；此外还需要考虑引、中断控制器、钟计数器等其他因素。针对本系统的设计要求，测量风速的精度要求在O1ms。假定两个超声波探头之间的安装距离为声波在当前测量温度下的传播速度为320ms，则无风的情况下传播时间为31251加载01m风和逆风的时间差约为1953邮。当加载风度的最大值60m风的传播时间约为26321风的传播时间约为38461间差为1214对于无风情况下的传播时间分别提前了4939了避免前期信号的干扰，可以延迟打开AD，在有效信号进入前再打开A样做可以有效地避免该干扰信号，同时减少了后期信号处理的数据量。根据最大风速时的计算结果，在26样的窗口大小为13以不漏检任何有效数据，此过程由照样频率两倍，而且工程上一般用10了达到高精度的要求，对40样频率设置为10时一次采样的数据大约为13K，两次收发过程采样得到的数据为26K。这部分数据可以放在此量中，超声波的到达时间采用数器进行计时。时钟计数器频率=善：与，其中l ”存器，32位的预分频寄存器直到预分频计数器的最大值。当时计数器每两个外设的E，陆为20时钟计数器的计数频率为10时周期为O1邮，满足系统的精度要求。323 Ph i I i 2本系统采用用冯诺依曼结构，具有高性能和南京信息工程大学硕士学位论文低功耗的特点。使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作，处理器具有以下两个指令集：标准的32位其可以达到标准仍然保持这些优势是使用16位寄存器的16位处理器所不具备的。 32是微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 632位带有1628位宽度的存储器接口和独特的加速结构使得32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位而性能损失却很小【20J。 通过片内应用编程(单个56字节行编程时间为个8路10位的A提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至244个10位的D产生不同的模拟输出。2个32位定时器外部事件计数器(带4路捕获和4路比较通道)、路输出)和看门狗。低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32个串行接口，包括2个16个高速1200s)、量中断控制器。可配置优先级和向量地址。小型的 承受5单电源，具有上电复位(掉电检测(路：0V(33V+10)。多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚。通过片内00实现最大为60内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为l30 外部振荡器的操作频率范围高达50功耗模式：空闲和掉电。可通过个别使能，禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。通过外部中断或2。324 中很多引脚是功能复用引脚。在系统设计过程中，主要考虑到各个系统模块的引脚与中断，其引脚图见图32。其中液晶显示模块的数据输入占用85引脚，0作为液晶模块的控制线。因为系统具有6个独立按键，占用6,1引脚。23以及50引脚。A的时器采用引脚的实现。33系统的时钟、电源及复位电路331系统时钟时钟电路用于向部系统运行速度更快。13南京信息工程大学硕士学位论文系统时钟采用外部品振提供，于片内集成了反馈电阻，只需要外部连接一个晶体和电容2引脚之间外接11592分别接一个3019构成基本振荡，模型见图33。选取1105920】。332电源电路2一 59，T119一耵AI，l 一 |l 二30P =系统时钟使用同一33需要单电源进行供电。A 拟滤波器放大器统的前置放大器时为了保证超声波探头的发射电压在60V，采用计电源需要考虑的因素包括：输出的电压、电流、功率；输入的电压、电流；安全因素；输出波纹；电磁兼容和电磁干扰；体积限制；功耗限制：成本限制等。因为不使用或者D以可以不区分数字电源和模拟电源。14南京信息工程大学硕士学位论文+5 173+52系统电源电路出电压的精度在1以内，还具有电流限制和热保护功能，可广泛地应用在手持式仪表，数字家电和工业控制等领域。尽管考芯片数据手册)，但太高的电压使芯片的发热量上升，散热系统不好设计，同时影响芯片的性能。本系统为干电池供电，供电电压为75足为系统中的A过之前的分析，故采用0芯片设计前级电源电路12二23J。末级电源设计考虑到整个系统在33为系统对这组电压的要求比较高，而且功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差的模拟电源(3是特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高，本系统采用此芯片构成末级电源电路【2引。前置放大器统中采用2进行升压。调固定输出、升降压的开关稳压器，输入电压范围为2作频率为75成电路需要很少的外围器件，开关电流15南京信息工程大学硕士学位论文为15A，最大功耗为500241。引脚连接中，择固定输出模式连接方式。系统中2的输入电压为5V，输出为12V。为了增强超声波的发射能量，需要提高超声波探头的发射电压，系统中采用的此情况下，电压的升幅由内部固定的电压基准125高升压值为75V。在电阻压值125(1+R，R，)，得到约60H。此电压激励超声波探头发出超声波【1 5I，具体的电源电路连接见图34。333复位电路复位电路可以使用简单的阻容复位，这个电路成本低廉，但不能保证任何情况产生稳定可靠的复位信号。由于功耗和低电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面均提出了更高的要求，所以需要使用专门的复位芯片。常用的复位专用芯片有选择复位芯片的时候，其复位门槛的选择至关重要，一般当选择微控制器的IV36V，所以选择复位门槛的电压为293V。当电源电压低于293统复位电路选取0。它具有2据存储时间为100年；存储器采用4006字节的页写缓冲区；具有高、低电平复位信号，有手动复位输入。复位电路连接如图35所示。信号复位按键0的们。系统复位电路16南京信息工程大学硕士学位论文34超声波的收发电路超声波探头采用40路实现上可以采用发射和接收分别设计的换能器，也可以使用收发一体的超声波换能器。发射换能器，接收换能器以及收发一体超声波换能器所示【251。分别设计的好处是能够充分发挥制造材料的性能，提高灵敏度，但是电路需采用两组收发换能器，电路实现较为复杂，而收发一体超声波换能器可以充分利用一组换能器实现相对方向的超声波信号的测量。表31换能器40收灵敏度 共振频率 阻抗 电容类型db 90 一67 401 11 20208040T 176 40l 约200 140040R 566 401 约70K 1400341超声波探头的改进与安装超声波的指向性与超声波的探头的尺寸和频率直接相关，为了得到单纯的超声波信号，并保证良好的指向性，要求采用大尺寸探头以发出平面波，但尺寸过大又会因为挡风而影响测量精度，故选择6的发射声压在10受灵敏度在407测距离最大为3m，6足设计要求。对其结构加以改进，在超声波探头外围加上吸声材料构成方向选择透镜【2引，可以保证超声波传播的指向性良好。吸声材料一般采用的是纤维、泡沫等富含孔洞材料，同时也可以是隔热材料，刚性多孔材料内壁层对于高频声波吸收效果好【27】。本例中采用的吸声材料是三聚氰胺泡沫塑料，此种材料具有高达95以上的开孔率，使得超声波能方便有效地进入泡沫的深层，并转化为网格的振动能被消耗和吸收掉，从而有效地消除反射和散射波。此方向选择透镜安装在接收压电换能器的前端，只有传播方向为一特定角度的声波才能穿过透镜，发生散射的那部分会被吸收，只有沿两探头轴线方向传播的超声波才能被接收换能器接收到。安装时，超声波换能器发射面和接收面保持平行时才能得到较好的接收效果，如图36所示。图36超声波探头的改进和安装17南京信息工程大学硕士学位论文342超声波发射、接收电路同建坚一。群匣窬函。一硅35前置放大电路在气体介质测量中，超声波信号的脉冲波很难保持稳定，而且经过方向选择透镜的筛18南京信息工程大学硕士学位论文选，接收到的超声波信号很微弱，转换成电压一般在了避免信号幅值波动导致漏检或者误判，需增加前置放大电路对信号进行预处理。前置放大器关系整个放大电路的优劣，必须具有高精度、低噪声和强抗干扰能力。放大电路由两片精密运算放大器转换速率为17雌，增益带宽乘积为63单电源供电【2乳32l，电源电压为12V。前置放大采用二级放大，放大倍数由两级放大倍数之积决定。第一级放大倍数可调，放大倍数由电位器大放大倍数为51倍。二级放大倍数由定为39倍。即回波信号经过二级放大后，最大的放大倍数为2000倍，此时的电压幅值得到大大提高，完全满足下一级电路的需要，电路连接如图38所示。36模拟滤波电路图38前置放大电路前置放大电路处理后，信号和噪声同时被放大，但信噪比并没有提高，需增加滤波电路。带通滤波器的设计原则是频带内的频率要以相同的比例通过，而信号频带外的干扰要能有效的抑制。常用的带通滤波器有选用滤波器的时候，考虑的主要技术指标有中心频率R、带宽宽增益、品质因数3l。滤波电路设计采用是一款具有两个带通滤波输出和两个低通滤波输出的集成有源滤波器，片内集成四运算放大器。运放、内部电容以及外接电阻构成级联积分电路，可同时提供低通和带通滤波输出。每两个运算放大器构成一个二阶节，每个二阶节的中心频率E，转折频率，品质因数Q，放大倍数都由四个外接电阻确定，不需外接电容【341。通