基于压电传感器的涡街流量测量仪的设计与研究毕业设计

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1、基于压电传感器的涡街流量测量仪的设计与研究毕业设计目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题背景11.2流量计的国内外发展现状21.2.1国内研究现状21.2.2国外研究现状31.3压电式流量计的优缺点41.4研究目的及意义5第2章涡街流量计的工作原理及检测方法72.1涡街流量计的工作原理72.1.1压电传感器的原理72.1.2旋涡发生体的原理82.2涡街流量计的组成结构112.3旋涡发生体的分类132.3.1圆柱涡街流量计132.3.2矩形柱涡街流量计132.3.3三角柱涡街流量计132.3.4梯形或T形柱涡街流量计142.4旋

2、涡分离频率的检测方法142.5本章小结15第3章涡街流量计信号处理系统的硬件设计163.1系统硬件电路整体设计1653.2模拟信号的处理电路163.2.1压电检测元件等效电路163.2.2电荷放大器173.2.3低通滤波器193.2.4施密特整形电路193.2.5模拟信号处理总电路及仿真203.3基于DSP的信号处理电路223.3.1DSP选型223.3.2信号处理电路组成233.4基于单片机的控制电路253.4.1单片机的选择253.4.2控制电路组成263.5本章小结30第4章系统软件设计314.1软件设计314.2单片机控制程序设计3

3、24.3DSP程序设计334.4ZOOM-FFT354.5本章小结37结论39参考文献41致谢43附录145附录259附录372附录48055第1章绪论第1章绪论1.1课题背景在我们周围存在着空气、水等多种与人们的生产、生活密不可分的流体。我们在对这些流体的使用过程中，通常需要对这些流体的性质和数量有一定的了解。在工业技术快速发展的当今时代，待测流体的种类更加趋于多样化，同时对流量测量的精度也有了更高的要求[1]。差压式流量计理论基础被公认为流量测量的里程碑，它是托里拆利于17世纪奠定的。多种流量测量的仪表雏形也于18、19世纪逐步开始形成

4、，但仪表的迅速发展得益于20世纪各种行业、各种新兴产业对测量需要及测量要求的提高。微电子和计算机技术发展迅猛对仪表的推陈出新起到了极大的推动作用，新型流量计不胜枚举。迄今为止，可在市场上找到的流量计种类已达一百余种，很多技术难题正在逐步被攻破。作为近代流量测量技术起步较晚的国家之一，我国早期流量计完全依赖国外进口。涡街流量计自上世纪80年代中期以后得以较快发展，是新型流量计中的中坚力量。我国非常重视对涡街流量计的使用与研究，已具备独立自主研发与生产的能力。涡街流量计是根据流体振动原理设计而成的，检测方式也经历了从最开始的热丝式、热敏式到现在

5、的应力式、超声波式等多个发展阶段。只要有旋涡列形成的场合均可使用涡街流量计进行测量，使用场地不再局限于封闭管道，开放的沟槽中也可以使用。在众多种类的流量计中涡街流量计在测量精度、压损、测量范围、可靠性、使用维护等方面均有良好表现，因而得到了广大使用者的认可和接受。涡街流量计也存在着一些限制其发展的缺点和不足。传统的涡街流量计信号处理方式只有放大、滤波、整形和脉冲计数几个环节，要想在所有信号中保留有用信号滤除有害信号是非常困难的，必然造成测量结果精度差；仅仅采用数字信号处理器DSP，又会面临因DSP5第1章绪论功能不够强大，无法同时完成大量计

6、算和控制外围电路的任务，从而造成系统实时性差的问题。随着微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，传统的仪表常规逻辑电子线路必将被微型计算机(单片机和嵌入式系统)所取代，一种新型的智能仪表必将成为仪表开发领域的新趋势。1.2流量计的国内外发展现状1.2.1国内研究现状国内的许多专家学者在涡街的数字信号处理方面也做了大量深入的研究，解决了涡街流量计应用中的存在的一些问题。上海理工大学医疗器械学院的林敏，在研究非整周期采样对频谱分析的影响的基础上，把基于FFT的周期图谱法和基于Burg的最大熵谱法两种算法进行比较，最终选用FFT谱分析法对实际涡街流

7、量信号进行分析处理，指出:在低流速时，涡街信号和噪声几乎叠加在一起，甚至噪声的幅值还大于涡街信号的幅值，此时，用功率谱分析的方法处理涡街流量信号时，得到噪声的频谱峰值很有可能高于涡街信号频谱峰值，这种情况下，就可能导致将噪声频率误认为是涡街信号频率。由此得出结论：单纯的用频谱分析的方法很难扩展涡街流量计在低流速时的量程下限[2]。上海大学的陈洁等人从非整周期采样、分辨率、采样点数等方面的研究出发，分析了用FFT谱分析法处理涡街流量信号的问题，同样指出，在测量低流速流量时，FFT具有一定优越性，但是在更低流速时，要提取涡街信号的频率还是有一定

8、困难的。所以当涡街信号和噪声重叠部分非常小或者完全分开的情况下，可以选用这种方法[3]。浙江大学的张宏建等提出了可以实时实现的两种方法，一是采用基于频谱分析的新DFT递推方法[4