基于DSP及CPLD技术超声波粘度测量系统设计.ppt

基于DSP及CPLD技术的超声波粘度测量系统的设计 答辩人： 导 师： 第1章 绪论 1.1选题的目的和意义 流体粘度测量在石油、化工、纺织、国防、食品、医药等诸多行业应用极为广泛，通过对国内粘度测量技术设备现状的初步了解，发现国内所采用的粘度测量技术设备与国外同类产品相比技术上存在较大差距，测量方法落后，自动化程度不高，测量范围有限，严重影响了测量效率和测量精度。国内一些计量仪器研究机构虽然在该领域进行了一定程度的技术改造，使一些粘度测量仪器部分实现了自动化，但研发成本较高且二次开发灵活性不足，无法满足不同环境下的对不同流体样本测量要求。相比之下，国外的流体粘度技术较为成熟，同时提出了不同于传统测量方法的新的粘度测量理论，并利用其技术优势将其转化为产品。对国内中小企业来说，引进国外粘度测量设备虽然能够实现粘度测量的自动化，提高精度和效率，但是进口设备不但技术保密而且价格高昂，不但无法对现有的设备加以有效利用，也不能了解其关键技术为我所用。因此，在基于原有粘度测量设备的基础上利用新技术进行技术改造，开发一种测量精度高、全自动、低成本、测量范围广的新型粘度系统具有较大的实际意义。 1.2 国内外粘度测量技术的发展现状和趋势 陀螺旋转测量法是利用旋转液体对陀螺的剪切力矩与陀螺反向力矩平衡的原理来测定液体粘度。近期，美国基尼弗尼亚大学的Smith设计了基于Labview平台虚拟仪器的新型粘度计。 1.3 本文的基本内容 本论文的主要研究内容是利用落球法测粘度原理设计一套具有二次开发功能的超声波粘度测量系统。其主要工作如下： 1、分析光电落球式粘度计的工作原理和特点，找出其在实际静切粘度测量过程中存在的不足，并以此为课题主线，提出超声波多普勒粘度测量系统的总体方案设计。 2、对落球法中落球在液体中运动状态进行数学建模，从理论的角度阐述了光电落球式粘度计在粘度测量时产生误差的原因，为对其进一步改进提供了理论指导。 3、通过对超声波多普勒效应的理论研究，得出被测物运动速度与反射波频率差的数学推导公式，为超声波多普勒粘度测量系统设计提供理论依据 4、根据噪声信号特点并考虑系统的稳定性及准确性，设计具有针对性的滤波方法对噪声信号进行处理。 5、针对超声多普勒信号的特点，采用改进相位重合点法以CPLD为硬件平台，完成超声多普勒信号测频电路和系统逻辑控制电路的设计。 6、设计一套以TMS320VC5402为核心的超声波多普勒粘度测量系统，包括相应的软、硬件的设计。 第2章 超声波粘度测量系统 理论基础及原理 2.1理论基础 超声波粘度测量系统的设计是基于光电落球测量粘度法改进的前提下，利用超声波多普勒效应原理，对被测液体内落球速度进行实时测量，而后根据粘性阻力定律计算出液体粘度。所以认真研究光电落球法粘度测量原理及超声波多普勒效应理论在粘度测量中的可行性是本系统设计的理论基础。 2.1.2超声波多普勒效应的理论研究 致 谢 本文是在我的导师姚运萍教授悉心指导和严格要求下完成的，衷心地感谢姚老师几年来给予我的精心培养和关怀。 此外，还要感谢曾经给予我热情帮助的老师、同学和朋友们！ 最后，感谢参加本论文审阅和评审的所有老师。 rgauss(t) —— 零均值的高斯随机变量 —— 频谱平均频率fm(t)的频移函数， 在短时间内，这种信号又可以被看作是准广义平稳的信号，所以理论上可以通过傅里叶变换来分析其谱函数。管道超声波多普勒流量计就是利用傅里叶变换来分析其谱函数，通过判断超声波多普勒功率谱主瓣位置，确定多普勒频率值，继而求出管道液体流速。 多普勒信号时域波形示意图 多普勒信号功率谱图 6.1.2 粘度测量试验中多普勒频差推导 为了更清楚地了解流体中超声波多普勒信号的物理特性，在20℃下对浓度96%的蓖麻油进行超声波多普勒频差推导。具体推倒参数如下： 20℃时蓖麻油标准粘度：h =0.950Pa·s； 20℃时蓖麻油标准密度：r =9.7×102kgm-3； 超声波发射频率： f 1=650kHz； 落球密度： r 0=7.851×103kgm-3； 超声波在20℃时蓖麻油中传播速度：c≈1200m/s； 超声波反射角余弦值： cosa = 1； 落球直径： d = 4.00mm； 管壁修正系数： f w = 0.741051； 重力加速度： g = 9.8×