基于+fpga时差法超声波气体流量计研究与实验验证.pdf

分类号密级
UDC 注 1
学位论文

基于 FPGA 的时差法超声波气体流量计的研究与实验验证
(题名和副题名)

肖海
(作者姓名)

指导教师姓名王亚非教授
电子科技大学成都
(职务、职称、学位、单位名称及地址)
申请学位级别硕士专业名称物理电子学
论文提交日期 论文答辩日期
学位授予单位和日期电子科技大学
答辩委员会主席
评阅人

年月日

注 1:注明《国际十进分类法 UDC》的类号
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作
及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方
外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为
获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与
我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的
说明并表示谢意。

签名: 日期: 年月日

关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文
的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,
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(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)

签名: 导师签名:
日期: 年月日
摘要
摘要
最近十几年以来,随着高速数字信号的处理技术与微处理器技术的迅速发展,
随着新型探头材料与工艺的研究,随着声道配置及流体动力学的研究,超声波流
量测量技术取得了长足的进步,并且成为一种重要的流量测量技术。超声波流量
测量技术也开始被应用于天然气流量检测,于是产生了一种新兴的气体流量仪表
—超声波气体流量计。超声波气体流量计具有测量精度高、体积小、能耗低、无
压力损失、寿命长以及安装使用方便等显著优点。
本论文采用现场可编程门阵列(FPGA)设计了一种时差法超声波气体流量计。
系统硬件电路为单片机+FPGA 结构,它摆脱了采用传统分离器件设计的不易更改
性和不稳定性,提高了系统的测量精度和稳定度,同时利用 FPGA 的可编程特性,
很高的工作频率以及丰富的内部资源设计了包括高速计数器在内的数字信号处理
模块,结合其它一些措施,达到了对气体流量进行高精度测量的目的。主要工作
及创新有:
1) 研究了各种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理,对超声
波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了较深入的研究;通过利用有
限元方法和 ANSYS 软件开展有限元分析,并且根据流体力学及物理学的
有关知识,对超声波流量计算公式进行了修正,并给出了不同情况下流量
修正系数的计算公式;
2) 对整个系统硬件电路进行了研究,包括 FPGA 的硬件设计,关键功能模块
描述,完成了单片机的硬件电路的设计,调试;
3) 本文给出了软件相应的设计图,关键部分的总体流程图;
4) 进行了实验研究,并且对影响流体流量测量的各种因素进行了仔细的分
析、研究。

关键词:超声波流量计,时差法,现场可编程门阵列(FPGA),微控制器
I
Abstract
Abstract
In recent ten years, on the basis of development of high-speed digital signal
processor and microprocessor, on the basis of research for new-style probe material and
technology, on the basis of research for acoustic channel configuration and flow
mechanic, the ultrasonic flow measurement technology has obtained a great
advancement, showing its strong technical advantage and ing an important flow
measurement technology. The ultrasonic flow measurement technology has been used in
gas flow rate measurement. Gradually, a new kind of