基于FPGA的高精度超声波液体流量计研究

论文摘要

超声波流量计具有非接触性、高精度、测量范围宽、安装维护方便等优点,目前国内的时差法超声波流量计存在精度不高的缺陷,研制基于FPGA的高精度时差法超声波液体流量计具有巨大的社会效益和经济效益。解决时差法超声波流量计高精度问题的关键是精密测量超声传输时间。本文研究内容包括基于FPGA的超声波流量计测量原理,超声换能器研究,硬件电子线路设计和软件算法设计。主要取得以下研究成果:对超声换能器进行研究,设计超声波换能器驱动电路,并开发研制相应的发射和接收控制电路,从而获得稳定的高频超声波信号。针对高速高分辨率数据采集系统进行研究,构建了基于高分辨率A/D和高速FPGA采样的数据采集系统,实现了对高频超声波回波信号的实时采集和采样数据的高速存储。对采集到的数据进行分析和处理,在采用软件细分算法的基础上,设计合理的查找最大特征波形算法和精确计算超声波回波信号终点时刻的插值算法,从而能够精密测量纳秒级的超声波传输时间。设计了超声波流量计实验验证装置,得到了超声波传输时间的实验数据,对实验数据进行了分析和处理,并对出现的问题进行分析和探讨。实验结果表明所设计的基于FPGA的超声波流量计能够精密测量纳秒级的超声波传输时间,最小时间分辨率达到0.122ns,为研制和开发高精度的时差法超声波流量计产品打下了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 流量测量的历史
• 1.2 超声波流量计的国内外现状
• 1.3 超声波流量计的测量原理
• 1.3.1 时差法
• 1.3.2 多普勒效应法
• 1.3.3 波束偏移法
• 1.3.4 相关法
• 1.4 超声波流量计的特点
• 1.5 课题的研究目标
• 1.5.1 课题的研究意义
• 1.5.2 课题的研究目标
• 1.5.3 拟解决的关键问题
• 1.5.4 论文的主要内容
• 本章小结
• 2. 基于 FPGA 的超声波液体流量计工作原理
• 2.1 超声波流量计方案的确立
• 2.1.1 超声波流量计方案选择
• 2.1.2 时差法超声波流量计方案设计
• 2.2 超声波流量计精密测时方法
• 2.3 基于FPGA 的超声波液体流量计原理框图
• 2.4 影响超声波流量计测量精度的因素
• 2.5 课题研究并解决的问题
• 本章小结
• 3. 超声波流量计换能器设计
• 3.1 超声波流量计换能器原理
• 3.1.1 超声换能器原理
• 3.1.2 超声换能器的分类
• 3.2 超声波流量计换能器选型
• 3.2.1 超声换能器的选型
• 3.2.2 超声换能器的安装
• 3.3 超声波流量计换能器驱动电路设计
• 3.3.1 正弦激励信号的产生
• 3.3.2 换能器驱动电路
• 本章小结
• 4. 信号处理电路设计
• 4.1 总体设计
• 4.1.1 信号处理电路设计原则
• 4.1.2 信号处理电路设计框图
• 4.2 信号放大滤波电路
• 4.3 FPGA 设计
• 4.3.1 FPGA 电路结构和功能
• 4.3.2 FPGA 的特点
• 4.3.3 FPGA 电路设计
• 4.3.4 FPGA 模块设计
• 4.4 A/D 转换电路设计
• 4.4.1 A/D 芯片的选型
• 4.4.2 A/D 的结构与性能
• 4.4.3 A/D 采样时间分辨率
• 4.4.4 A/D 电路设计
• 4.5 ARM 电路设计
• 4.6 D/A 电路设计
• 4.7 信号处理电路板
• 本章小结
• 5. 软件设计
• 5.1 软件设计总体方案
• 5.2 计算超声波传输时间
• 5.2.1 超声波传输时间起点和终点
• 5.2.2 超声波传输时间终点时刻的确定
• 5.3 最大特征波算法
• 5.4 正弦插补算法
• 5.5 信号处理软件设计
• 5.5.1 数据采集软件设计
• 5.5.2 ARM 软件设计
• 本章小结
• 6. 超声波流量计实验验证与分析
• 6.1 实验验证
• 6.2 实验数据处理
• 6.3 误差分析
• 本章小结
• 7. 结论
• 7.1 课题研究总结
• 7.2 超声波流量计展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果