（机械电子工程专业论文）液压小管径的超声波流量压力测量方法的研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：霉蘩7 庑丈指导教师签名：二讨榜 日期：- z 秒，t 司，t 厂- 厂日期 洲f 、心l 西华大学矗贞士学位论文 摘要 液压传动系统以其固有的优点，在传动领域得到广泛应用。然而，与电气传动和机 械传动系统相比，液压系统存在故障率高、故障检测困难的缺点。流量和压力是反映液 压系统状态的主要参数，是液压系统故障诊断的基础。本文提出了使用超声波对液压系 统进行流最和压力测最的综合方案，可以实现 e 介入、实时在线测最，为液压传动系统 的故障诊断奠定可靠的笨础。 针对传统超声波流测鼍时使用的传播时间法在小管径、低流速测。虽时，具有测时结 果分散性大和对计数脉冲频率要求高的特点，提出厂使用基- j z f p g a 的等效脉冲法进行 计时的方法。为使测最系统工作性能更加稳定和可靠，系统的集成化程度更高和使用更 具柔性，本论文以s o p c 技术为歼发平台，以传播时间法超声波测量系统为研究对象，初 步设计出了基j s o p c 的传播时l 日j 法超声波测毓的片上系统，并给出了具体实现方法。 本论文 要内容如下： 1 概述超声波测量的发展历史、国内外研究现状及分类，并对各几种代表性超卢 波测量原理进行厂简要的阐述。 2 根据超声波的声学特性，建证时差法流最压力测鼍的数学模型，依据时差法测 流量压力的数学模型得出论文的匡点和难点：超声波传播时间芹的精确测景。 3 讨论时间测鼍的几种疗法，确定本课题解决问题所使用的时间的高精度测。量方 法：基f - f p g a 的等效脉冲法，并对该方法进行了理论分析。 4 介绍了肇fs o p c 技术的流鞋和压力测量系统的硬件设计方法，并给出了相关 的电路原理图。 5 讨论r 超声波流量压力测量系统的软件设计方法，并给出厂部分模块的设计图、 仿真图和程序。其中，霞点介绍了时间测量n i o si i 外设的构建和软件设计思路。 6 对本系统数据处理方法的给予了介绍。给出厂时差一流速和时差压力的修正方法， 并简要的给出了造成测壁误差的原因和改进的方法。 关键词：超声波；流量压力测量；s o p c ：等效脉冲； 。 一 液骶小管径的超声波流影压力测鼍疗法的研究 a b s t r a c t h y d r a u l i cs y s t e mi sw i d e l yu s e di nt h et r a n s m i s s i o na r e aw i t hi t si n h e r e n ta d v a n t a g e s h o w e v e r ，i th a st h es h o r t c o m i n g so f h i g hf a i l u r er a t ea n dd i f f i c u l ti nf a u l td e t e c t i o nc o m p a r e d w i t ht h ee l e c t r i cd r i v ea n dm e c h a n i c a ld r i v es y s t e m t h ef l o wa n dp r e s s u r ea r et h em a i n p a r a m e t e r sr e f l e c t i n gt h eh y d r a u l i cs y s t e mc o n d i t i o na n dt h eb a s i so fs y s t e mf a u l td i a g n o s i s t 1 1 i sp a p e rb r i n g sf o r w a r d st h ei n t e g r a t e dp r o g r a mf o rf l o wa n dp r e s s u r em e a s u r e m e n ti n h y d r a u l i cs y s t e mu s i n gt h eu l t r a s o n i ct e c h n i q u et h a ta c h i e v e sn o n - i n v a s i v e ，r e a l t i m eo n l i n e m e a s u r e m e n ta n dl a y ss o l i df o u n d a t i o nf o rf a u l td i a g n o s i si nh y d r a u l i cs y s t e m t h ep r o p a g a t i o nt i m em e t h o dt r a d i t i o n a l l yu s e di nu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n ti s f e a t u r e dw i t hl a r g ed i s p e r s i o no ft h et e s tr e s u l ta n dh i g i lr e q u i r e m e n to nt h ec o u n t i n gp u l s e f r e q u e n c yd u r i n gs m a l ld i a m e t e r , l o wf l o wr a t em e a s u r e m e n t a i m i n ga tt h i s ，t h ee q u i v a l e n t p u l s et i m i n gm e t h o db a s e do nf p g ai sp r o p o s e d t oe n a b l et h em e a s u r es y s t e mw i t hm o r e s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yi np e r f o r m a n c e ，a n dm a k et h es y s t e mm o r ei n t e g r a t e da n dm o r ef l e x i b l e ， t a k i n gt h es o p ct e c h n o l o g ya st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dt h eu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n t s y s t e mw i t ht h ep r o p a g a t i o nt i m em e t h o da s t h er e s e a r c ho b j e c t ，i n i t i a ld e s i g no ft h e m e a s u r e m e n ts y s t e mo nc h i pb a s e do ns o p ci sg i v e ni nt h ep a p e ra n da l s og i v e nt h es p e c i f i c i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d 砀口m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 o v e r v i e wo ft h eu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n td e v e l o p m e n th i s t o r y , t h er e s e a r c hs t a t u sa n d c l a s s i f i c a t i o na th o m ea n da b r o a d ，a n db r i e fd e s c r i p t i o no fs e v e r a lr e p r e s e n t a t i v eu l t r a s o n i c m e a s u r e m e n tp r i n c i p l e s 2 e s t a b l i s h m e n to ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l o wa n dp r e s s u r em e a s u r e m e n tu s i n gt h e t i m ed i f f e r e n c em e t h o da c c o r d i n gt ot h eu l t r a s o u n da c o u s t i cp r o p e r t i e sa n dt h ef o c u sa n d d i f f i c u l t yo b t a i n e df r o mt h ea b o v e ：a c c u r a t em e a s u r e m e n to fu l t r a s o n i cp r o p a g a t i o nt i m e d i f f e r e n c e 3 b a s e do nd i s c u s s i o no fs e v e r a lm e t h o d so ft i m em e a s u r e m e n t t h em e t h o du s e dt o s o l v et h ep r o b l e mc h o s e ni nt h i ss u b j e c tt oo b t a i nh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n to ft h et i m ei s t h ef p g ab a s e de q u i v a l e n tp u l s em e t h o d ，a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i si sd o n eo ni tb a s e do nt h e f p g a b a s e de q u i v a l e n tp u l s em e t h o d 4 t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ef l o wa n dp r e s s u r em e a s u r i n gs y s t e mb a s e do ns o p ci s i n t r o d u c e da n dt h er e l e v a n tc i r c u i td i a g r a mi sg i v e n 5 s o f t w a r ed e s i g nm e t h o do ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mi sd i s c u s s e d ，b l u ep r i n to fs e v e r a l m o d u l e s ，t h es i m u l a t i o nd i a g r a ma n dt h ep r o g r a ma r eg i v e n e m p h a s i z e di n t r o d u c t i o ni sd o n e o nt h en i o si ip e r i p h e r a lc o n s t r u c t i o na n dt h es o f t w a r ed e s i g ni d e a s 两华大学硕士学位论文 6 p r e s e n t a t i o no ft h ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o do ft h es y s t e m c o r r e c t i o nm e t h o do ft h e t i m ed i f f e r e n c e v e l o c i t ya n dt i m ed i f f e r e n c e - p r e s s u r ei sg i v e na n dt h er e a s o nf o rm e a s u r e m e n t e r r o ra n di m p r o v em e t h o da r eg i v e ni nb r i e f l yi nt h ep a p e r k e yw o r d s ：u l t r a s o u n d ；f l o w ，p r e s s u r em e a s u r e m e n t ；s y s t e m o n a - p r o g r a m m a b l e - c h i p ； e q u i v a l e n tp u l s e ； n i 液j k d , 管径的超声波流最，压力测量方法的研究 目录 摘里兽i a b s t r a c t i i 目j 隶i v l 绪 仑1 1 1小管径超声波流量压力检测研究的目的和意义l 1 2 超声波流量测量技术的发展概述1 1 3 超声波流量测鼍方法简介2 1 3 1 时差法2 1 3 2多普勒法3 1 3 3 相关法3 1 4 超声波压力测鼍的基本原理4 1 5 课题来源及研究的主要内容4 1 6 论文内容安排5 2 时差法超声波流量压力测鼍理论及数学模璎6 2 1 超声波在液压油中传播的特性6 2 2 时差法超声波流硅测量数学模型的建芝7 2 3 时差法超声波压力测量数学模型的建屯9 2 3 本葶小结1 0 3 高精度n e r o j 长度测量1 l 3 1时间长度测量方法简介1 l 3 2 改进型脉冲计数法1 3 3 2 1改进型脉冲计数法原理1 3 3 2 2 改进型脉冲计数法的量化误差分析1 4 3 3 本章小结1 6 4 超声波流量压力测量系统的硬件设计1 7 4 1 超声波流量压力测量系统的硬件构成1 7 4 2 超声波流量压力测量系统的硬件设计1 8 4 2 1 超声波发送电路设计18 4 2 2 超声波发射接收转换电路一2 l l v 西华大学硕士学位论文 超声波接收电路设计：2 2 f p g a 及其外围相关电路2 4 4 2 5通信、显示、按键及实时时钟电路2 7 4 3 本章小结3 0 5 超卢波流量压力测量系统的软件设计3 1 5 1系统软件功能介绍及s o p c 开发流程3 l 5 1 1 系统软件功能介绍3 1 5 1 2s o p c 技术简介及开发流程3 1 5 2n i o si i 嵌入式软核系统的构建和时间测量外设的设计3 3 5 2 1n i o sl i 嵌入式软核系统构建。3 3 5 2 2时间测最外设的设计3 4 5 3n i o si ii d e 下的主程序设计4 l 5 3 1n i o si ii d e 简介4 l 5 3 2n i o si ii d e 的软件设计4 3 5 4 本搴小结4 5 6 数据处理方法和降低误差的方法一4 6 6 1测量数据处理方法4 6 6 1 1 压强时差数据拟合4 6 6 1 2 流量时差的数据拟合4 8 6 2 装置实物4 9 6 3 测鼍误差冈素及降低误差的方法：4 9 6 3 1液压系统自身引入的测量误差4 9 6 3 2 系统测量硬件引起的测量误差5 0 6 4本章小结5 0 7结论5l 参考文献5 2 附录。5 4 攻读硕仁学位期间发表的论文及科研成果。5 7 致谢5 8 v 液压小管径的超声波流影雎力测鼋方法的研究 1 绪论 1 1 小管径超声波流量压力检测研究的目的和意义 液压传动系统具有结构轻巧、运动惯量小、动态件能好以及运动平稳的优点，在传动 领域得到广泛应用。然而，其与电气和机械传动系统相比，液压系统存在故障率高、故障 检测困难的缺点【l 】【2 j 。日前，振动信号诊断和油液分析诊断足液压系统常用的技术，但是这 两种技术却无法准确获得反映液压系统运行状态的流量压力等关键参数及其变化。 传统的液压测最方法足介入式的，需要设置检测接口，不易拆装，另外还会导致系统 不稳定。很多液压系统在设计的时候末颅留用来检测的接口，所以传统的测量方法在故障 检测和定位方面存在很大的不足，非介入式的检测技术应运而生。 电磁法和超卢波法是非介入流量测最的差要方法，电磁法要求比较苛刻，待测液体具 有导电性。电阻应变法和超声波法是压力1 介入测鼍经常使用的方法，但电阻应变法存在 其自身的缺点，即精度和灵敏度比较低。超声波管外测鞋足伴随着集成电路、计算机技术 和超卢传感技术的迅速发展而兴起的。超声波 介入式测量具有以下的优点，即感应部件 固定、液体流场小需要破坏、没仃机械惯性、有较快瞬态响速度、可在线测量、安装使用 方便。非介入式的超声波流量压力检测方法具有重要的实用价值和经济价值。因此，使用 超声波非介入式的液压系统的参数检测，开展针对这方面的研究是必需而且可行的。 1 2 超声波流量测量技术的发展概述 超声波流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来 测量流体流鞋的。利用超声波测定流速、流量的技术不仅应用在工业疗面，而且在医学、 海洋观测以及各种计量测试中部有着广泛的应用【3 8 1 。 ， 超声波流阜= 计研究已经宵8 0 多年的历史。1 9 2 8 年，德国人首先提出r 使用超声波来 测得液体流最的方法，并获得了第一个超声波用丁测鼍的专利，这也是人类使用超声波技 术的一个世程碑。利用声波测量管道流体流量最早的参考文献是1 9 3 1 年0 r u t t e n 发表的 德国号利。限了二2 0 世纪3 0 年代的测时技术，超声波流鼍计只能停留在理论研究方面，未 能获得实际应用。1 9 5 5 年，m a x s o n 流量计被用在了航空燃烧油的测量，它使用两组超声波 探头，利用卢循环法来测营液体的流量，这足超声波流量计从实验室进入了实用的标志。 1 9 5 8 年，a l h e r d r i c h 等人发明了折射式探头，由于他们的研究可进一步消除因管壁的 交混陆，i 响所产生的相位失真，为管外安装提供了理论依据。2 0 世纪6 0 年代，出现厂大最 有关超声波流量计的专利申请，并在6 0 年代未期出现了多普勒效应的超声波流量计。进入 7 0 年代随着电子技术的发展，流最汁的性能开始f i 趋完静，理论上的研究也随着超声波流 西华人学硕 学位论文 但仍只局限于使用模拟技术。随着近代的i t 技术和数字超声技术 取代了模拟超声技术。近l o 年来，基于高速数字信号处理技术、 微处理技术的快速发展和新型传感器材料与工艺的研究以及声道配置与流体动力学的研究， 超声流鼍测量技术取得了很快的发展，技术优势非常的明科9 】 【1 2 1 。在2 0 0 9 年上海举行的 多国仪器仪表展览会上，国内外共有8 5 家厂商参展，其中就有1 3 家企业部展示超声波流 量计，占据了所有流量仪表参展商的1 5 3 l i 川。 我国的超声波测量技术起步较晚，2 0 世纪6 0 年代 - - 7 0 年代，机械工业部