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基于双阈值电平比较法的时差法超声波流量计信号处理研究

作　者: 闵闿
导　师: 陈洁
学　校: 上海大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 超声波流量计时差法双阈值法
分类号: TH814.92
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

20世纪70年代随着流量测量需求的不断增长，超声波流量计研究与技术得到不断的发展，并开始得到实际应用。但我国超声波流量计的研究起步较晚，目前对它的研究和生产仍比较落后。受浙江迪元仪表有限公司委托，论文对时差法超声波流量计的超声回波信号波形及其处理方法进行研究。论文选择时差法超声波流量计为研究对象，通过对国内外研究情况调研与深入的理论分析，提出双阈值超声波信号处理方法，并研究该方法的可行性，致力于进一步提高时差法超声波流量计的测量精准度和稳定度。论文首先从流量仪表的发展出发，介绍了超声波流量计的特点和种类，接着介绍了时差法超声波流量计的国内外现状和本论文的研究难点和意义。然后，论文对时差法超声波流量计的信号处理方法进行了理论分析。先介绍了时差法超声波流量计的基本原理和超声回波信号模型。接着对基于原始电平比较法，最小均方差法和改进的无轨迹卡尔曼滤波算法三种超声波时间测量方法进行了理论误差分析，结果表明此三种方法在处理畸形波时都会产生较大的误差，因此本论文根据时差法超声波信号的特点提出了一种新的基于双阈值的信号处理方法。最后论文从双阈值法的理论分析、系统硬件设计、系统软件设计和双阈值法可行性实验验证四方面进行了详细介绍：第一，论文介绍了本系统的信号处理方法与系统设计方案，包括本论文提出的双阈值信号处理方法的理论分析，系统的设计要求，系统超声波换能器的选择，驱动信号对超声回波信号的影响，驱动信号的选择和系统整体结构流程。第二，论文介绍了基于双阈值法的硬件系统设计，包括硬件结构和硬件各个模块：包含微处理器模块、驱动模块、时序转换模块、模拟信号处理模块、数字信号处理模块、高精度计时模块、数据采集接口模块和电源模块。论文对各个模块的原理做了详细介绍。第三，论文介绍了基于双阈值法的软件系统设计，该系统设计重点在于通过双阈值法甄别信号畸形与否，选择满足条件的超声波信号计算流量，再上传上位机。第四，系统实验分析，系统平台搭建完成后，通过零流速静态实验，分析系统误差，验证了此方法的可行性。本论文的创新点主要在于提出的双阈值法，利用此方法首先进行信号畸形与否的判断，然后在良好的信号基础上按照指定准则进行流速流量计算，最后通过实验验证了本方法的可行性。为基于双阈值电平比较法的时差法超声波流量计产品化奠定了理论与实践基础。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-22
  1.1 流量计的发展概述  12-13
  1.2 超声波流量计概述  13-16
    1.2.1 超声波流量计的特点  13-14
    1.2.2 超声波流量计的分类  14-16
  1.3 超声波流量计的发展与国内外现状  16-18
  1.4 研究的难点和意义  18-20
  1.5 论文的内容与编排  20-22
第二章时差法超声波流量计信号处理方法理论分析  22-34
  2.1 时差法超声波流量计的基本原理  22-23
  2.2 时差法超声波信号模型介绍  23-25
  2.3 时差法超声波流量计的信号处理方法理论分析  25-33
    2.3.1 基于原始电平比较法的超声波传播时间测量理论分析  26-27
    2.3.2 基于最小均方差法的超声波传播时间测量理论分析  27-30
    2.3.3 基于改进的无轨迹卡尔曼滤波算法的超声波传播时间测量理论分析  30-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章基于双阈值法时差法超声波流量计理论分析与系统方案设计  34-47
  3.1 基于双阈值法的超声波传播时间测量理论分析  34-39
  3.2 系统设计要求  39-40
  3.3 超声波换能器的选择  40
  3.4 超声波换能器驱动信号对超声波信号的影响  40-43
  3.5 超声波换能器驱动信号的选取  43
  3.6 系统方案概述  43-45
  3.7 本章小结  45-47
第四章基于双阈值法时差法超声波流量计的硬件设计  47-64
  4.1 系统硬件设计要求  47-48
  4.2 系统电源设计  48-49
  4.3 系统发射与接收电路设计  49-51
    4.3.1 系统脉冲发射器  49
    4.3.2 系统发射驱动电路  49-50
    4.3.3 系统收发时序转换电路  50-51
  4.4 超声波接收信号处理模块设计  51-59
    4.4.1 模拟信号处理模块设计  51-55
    4.4.2 数字信号处理模块设计  55-59
  4.5 计时芯片 TDC-GP2 测量模块介绍  59-62
  4.6 MSP430F5338 微处理器功能介绍  62-63
  4.7 系统数据采集机接口设计  63
  4.8 本章小结  63-64
第五章基于双阈值法时差法超声波流量计的软件设计  64-75
  5.1 系统软件设计要求  64-65
  5.2 系统软件整体流程设计  65-68
  5.3 MSP430F5338 微处理器软件主要功能介绍  68-72
    5.3.1 超声波的顺流与逆流时序控制  68
    5.3.2 MSP430F5338 与 TDC-GP2 之间 SPI 通信  68-71
      5.3.2.1 超声波的驱动脉冲控制  69-70
      5.3.2.2 TDC-GP2 中超声波传播时间的中断读取  70-71
    5.3.3 双阈值法判定并计算流速流量上传至 PC 机  71-72
    5.3.4 可控增益调整设计  72
  5.4 TDC-GP2 计时模块软件设置  72-74
    5.4.1 TDC-GP2 模块操作介绍  72-74
    5.4.2 TDC-GP2 模块加设屏蔽窗口功能  74
  5.5 本章小结  74-75
第六章基于双阈值法时差法超声波流量计实验设计与验证  75-79
  6.1 实验流量装置介绍  75
  6.2 实验目的  75-76
  6.3 时间重复性及误差测试与分析  76-78
  6.4 本章小结  78-79
第七章总结与展望  79-82
  7.1 课题研究总结  79-80
  7.2 论文创新点  80-81
  7.3 展望  81-82
附录  82-85
参考文献  85-89
作者在攻读学位期间公开发表的论文  89-90
作者在攻读学位期间所参与的项目  90-91
致谢  91

基于双阈值电平比较法的时差法超声波流量计信号处理研究

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