（机械设计及理论专业论文）基于超声波时差法检测液压系统流量计的研制.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于超声波时差法检测液压系统流量计的研制 机械设计及理论 顾斌( 签名) 盈丛盘 柴光远 ( 签名) 二丘查茎 摘要 随着工业技术的不断发展，液压系统及设备向高压、大功率、高精度和大容量的方 向发展，其组成和结构变得越来越复杂，同时由系统故障引起的损失也随之增长，因此， 如何提高复杂液压系统的可靠性，已经成为当前重要的研究内容。为了提高可靠性，需 要对液压系统传动进行实时检测，而液压系统中各元件和液体都是在封闭的空间内工 作，从而给系统的实时检测带来一定的困难。 流量是液压系统的重要参数之一，它的大小直接反映着液压系统运行状况的好坏。 本课题基于液体的声学特性，设计一套液压系统流量超声波检测装置，能在不增加液压 系统复杂性和不影响液压工况的前提下，方便地实现非接触式对系统的多个i 临时部位的 液体流量进行检测。 本论文研究的内容主要包括以下三个方面： ( 1 ) 对各种流量检测原理进行了分析和研究，鉴于超声波检测技术在检测流量方面的 成熟经验和液压工作介质的声学特性，本论文提出了基于超声波时差法检测液压系统流 量的方案。 ( 2 ) 针对超声波及超声波换能器的特性，设计出检测系统的硬件电路，重点包括超声 波发射电路、接收及放大电路和过零比较电路等。同时，对硬件电路的单片机和c p l d 进行软件编程，完成检测系统的整体设计。 ( 3 ) 搭建出实验平台，通过实验数据的采集和处理验证了检测系统的可行性。 本课题的研究和探索，表明本文所采用的超声波时差法检测液压系统流量是可行 的。这不仅为液压系统状态的实时检测提供新的手段，也为液压系统的故障诊断打下了 良好的基础。 关键字：液压系统；超声波检测；流量计；时差法 研究类型：应用研究 s u b j e c t s p e c i ai 呵 n a m e ： d e s i g n o f h y d r a u i i cs y s t e m f l o w m e t e rb a s e do nt h e u l t r a s o n i ct i m e - d i f 亿r e n c em e t h o d ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ：g ub i n i n s t r u c t o r：c h a ig u a n g y u a n ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t ur e ) a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fi 1 1 d u s 埘a 1t e c l u l o l o g y ，h y d r a u l i cs y s t e m sa u l d e q u i p m e n ta r ed e v e l o p i n gt oi l i 曲v 0 l t 乏喀e ，l l i 曲p o w e r ，1 1 i g i lp r e c i s i o na l l dh i 曲c a p a c i 吼i t s c o m p o s i t i o na i l ds t n l c t u r eb e c o m em o r ec o m p l e x ，a tt h es 锄et i m et h el o s sc a u s e db ys y s t e m f a i l u r e sa r ea l s oi n c r e a s i n g t h e r e f o r e ，h o wt om c r e a s et i l er e l i a b i l i t ) ，o fs y s t e mi st h em o s t i m p o 咖e n tr e s e a r c h i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft l l eh y d r a u l i cs y s t e m ，w en e e dt o d e t e c tt h es y s t e mf o rr e a l t i n l e ，b u th y d r a u l i cs y s t e mc o m p o n e n t sa n dt h el i q u i da r ei nac l o s e d s p a c e ，s oi tb r i n g sc e r t a i nd i m c u l t i e sf o rr e a l t i m ed e t e c t i o ns y s t e m h y d r a u l i cs y s t e mn o wi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a u r a m e t e r s ，w m c hd i r e c t l yr e f l e c t st h es i z e o ft h eo p e r a t i o no ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw h i c hi s9 0 0 d0 rb a d i ks u b j e c ti sb a s e do nt h e a c o u s t i cp r o p e r t i e so fl i q u i dt od e s i g nah y d r a u l i cs y s t e mn o w m e t e rw i mu l t r a s o i l i cd e t e c t i o n t e c h n o l o g y ni se a s yt o a c h i e v en o n c o n t a c td e t e c tm eh y d r a u l i cs y s t e mn o ww i t h o u t i n c r e a s i l l gt l l ec o m p l e x j t yo ft 1 1 eh y d r a u l i cs y s t e ma 1 1 da 疗- e c t i n gt 1 1 eh y d r a u l i cc o n d i t i o n s i nt h i sp 印e r ，t h e 咖d yi n c l u d e st h ef o l l o 谢n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) t h r o u 曲a 1 1 a l y s i n ga n dr e a s e r c l l i n go fv 撕o u sn o wd e t e c t i o np r i n c i p l e s ，b e c a s eo ft h e u l t r a s o m cd e t e c t i o nt e c l u l o l o g y 谢t l lm a t u r ee x p e r i e n c ea i l dt h ea c o u s t i cp r o p e r t i e so fl i q u i d ， t h j sp a p e rp r e s e n t sam e t l l o db a s e do nu l t r a s o n i ct i i l l ed i 丘e r e n c et 0d e c t c e tt h eh y d r a u l i c s y s t e m ( 2 ) f o ru l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra l l du l 仃a u s o i l i cc t e s t i c s ，t h ed e s i g no fd e t e c t i o n s y s t e mi l a r d w a r ec i r c u i t i n c l u d i n gu l t r a s o n i c 乜锄s m i t t e rc i r c u i t ，r e c e i v e ra l l d 锄p l i f i e r c i r c u i t ，a i l dc o m p a r ec i r c u i t s 晰1z e r o - c r o s s i n g a tm es 啪et i m e ，t od e s i g nt h es o f e w a r e f o r t h em c u 锄dc p l d ( 3 ) s e tu p 锄e x p e r i m e n t a lp l a t f o n n ，t h r o u 曲t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e mt ov e r i 黟t 1 1 ef e a s i b j j i 够o ft e s t i n gs y s t e m t h er e s e a 】他hs h o w st l l a tt h em a t h o do fu l t r a s o m cn o wd e t e c t i o nw i t l lt h et i m ed i 仃e r e r l c e i sf e a s i b l e t h i si sn o to n l yt op r o v i d ean e wm e a n st ot l l eh y d r a u l i cs y s t e ms t a t e ，b u ta l s o m a k e sag o o df o u n d a t i o nt 0f a u l td i a g n o s i s k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs y s t e m u l n 砸o n i cd e t e c t i o nf l o 、啪e t e r t l l et i m e d i f r e r e n c em e t h o d t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 西垂料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嬲日期：弘p 7 。f 6 1 一 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 钗氓懒：莩乏 叼年6 月。日 1 绪论 l 绪论 1 1 研究背景及意义 液压技术到今天已有了三百多年的历史了，由于早期技术水平较低和生产需求的不 高，使得液压技术没有得到普遍的应用。但随着科学技术的不断进步，液压技术已经在 国民经济的各个部门都得到了广泛的应用。液压传动与其它传动技术相比有其显著的优 点：在同功率下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑；工作平稳，由于重量轻、 惯性小、反应快。液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向；操作控制方便，可 实现大范围无级调速；易于标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。所 以在机械制造、工程建设、石油化工、交通运输、国防建设、矿山冶金、轻工、农机等 行业都有其身影。它已经成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。 随着工业技术的不断发展，液压系统及设备向高压、大功率、高精度和大容量的方 向发展，其组成和结构变得越来越复杂，但同时由于系统故障引起的损失也随之增长， 因此，工程技术人员希望提高这类复杂系统的可靠性和可维修性，而状态监测和故障诊 断技术则为其开辟了一条崭新的途径并日益受到重视。由于液压系统中各元件和液体都 是在封闭的空间内工作，从而给系统特征信号的实时检测带来一定的困难。对于液压系 统参数而言，液压系统的流量是一个十分重要的特征参数，因为液压传动系统总是通过 液体介质传递能量而进行工作的，系统中各部分流量状态正常与否，将直接影响系统能 否正常工作。因此，如何在不增加液压系统复杂的前提下，实现对液压系统工况无任何 影响且易于获得多个临时部位的流量检测，这对于液压系统的状态监测和快速故障定位 具有十分重要的意义。 本课题基于液体的声学特性，设计一套液压系统流量超声波检测装置，能在不增加 液压系统复杂性和不影响液压工况的前提下，方便地实现非接触式对系统的多个临时部 位的液体流量经行检测。用这种技术检测液压系统状况或查找液压系统故障时，就不用 再将液压系统拆卸进行故障排查，这会极大地方便用户，其应用领域十分广泛，特别是 对于大型、精密、昂贵的液压设备来说，错误的诊断必将造成修理费用高、停工时间长、 降低生产效益等经济损失。而本课题的这种非接触式的检测技术，则能帮助设备维修人 员快速查明故障原因，及时维修，以减少维修费用和提高设备的利用率，从而具有良好 的经济效益。流量是液压系统的重要参数之一，它的大小直接反映着液压系统运行状况 的好坏。通过对系统流量的测量来实时监控液压系统，以保证液压系统的正常运转和工 作人员的人身安全，同时给液压系统的故障诊断带来了方便。因此对液压系统流量的测 量具有十分重要的意义。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 国内外发展趋势及其研究现状 目前，流量测量方法和仪器的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用 的流量仪表种类达6 0 种之多。其原因就是至今还找到一种对任何流体、任何量程、任 何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。所以，国内外的很多仪表制造公司和 科研院所都在研制开发用于特定状况下的流量测量仪器。 国内现在的主流产品有：磁电式流量计、涡街流量计和超声流量计。它们各有自己 优缺点和自己应用场合。 ( 1 ) 磁电式流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体体积流 量的仪表。基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两 端产生感应电动势。如图1 1 所示，导电性液体在垂直于磁场的管道中流动，与流动方 向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电动势。公式如下： e = i d v ( 1 1 ) 其中：卜感应电动势，v ；k 系数；m 卅场感应强度，t ； d 一管道直径，m ；v 平均流速，面s ； 设液体体积流量为q 则 图1 1 法拉第电磁感应定律 q = 孚v 2 ( 1 2 ) 1 绪论 e 2 ( 4 k d ) q 2 k q ；其中k 为仪表系数，k = 4 k d 电磁流量计有系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐 蚀流的测量。磁电流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常 用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液，化 学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、 生物化学等有卫生要求的场所。 ( 2 ) 涡街流量计是利用流体振动原理来进行流量测量，在流体中垂直安放一根非流线 型游涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的漩涡，称为卡 曼涡街，漩涡频率f 与流经发生体两侧的平均流速v l 之间的关系可表示为： 曲 ( 1 3 ) i 漩涡频率，h z ；s 卜斯特芬哈尔数； v l 发生体两侧的平均流速，州s ；d 发生体迎流向的宽度，m ； 假设测量管内径为d ，发生体两侧弓形流通面积之和与测量管的横截面积之比为m ， 根据流体连续性定理：v l = v m 代入式可得f = s r v n l d 设测量管内瞬时体积流量为q 则： q = 棚2 2 棚2 m s r 瑙；其中k 为仪表系数，k _ m d 7 c d z 4 s r 由此式可以看出，对于确定的测量管内径口d 和发生体迎面宽度d 、流体的体积流 量q 与漩涡频率f 成正比。只要测量出漩涡频率f ，就可以测量出体积流量。 其优点是结构简单、使用流体类型多、精度高和压力损失小。缺点是破坏管路、不 适用于低雷诺数测量、需要较长的直管道。 ( 3 ) 超声流量计是通过检测流体流动对超声束( 或超声脉冲) 的作用以测量流量的仪表。 根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法( 直接时差法、时差法、相位差 法和频差法) 、波束偏移法、多普勒法、相关法、噪声法等。超声流量计属无阻碍流量 计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量检测技术，特别在大口径流量测量方面有较 突出的优点，近年来它是发展迅速的一类流量计之一。传播时间法主要应用于清洁、单相 液体和气体。典型应用有工厂排放液、怪液、液化天然气等；气体应用方面在高压天然气 领域已有使用良好的经验；多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体，例如：未处理污 水、工厂排放液、脏流程液；通常不适用于非常清洁的液体。 国外新的测流量技术的研发，如同本东京技术学院研制适用于石油输送管线低导电 3 西安科技大学硕士学位论文 液体流量测量的静电流量计、美国g m i 工程和管理学院研发的基于流体的动量和压力 作用于仪表腔体产生的变形，测量复合效应的变形求取流量的复合效应流量仪表、俄罗 斯科学工程中心工业仪表公司开发的基于悬浮效应理论研制的转速表示流量传感器。 1 3 流量检测方法选择 根据对国内外大量资料的研究，这些流量计大多都是针对管道输送、污水处理、排 水工程等进行设计研发的，而且技术都已经较为成熟。但专门针对液压系统这种高压、 快流速、大功率而且要求非接触式的流量计还为数不多。现在，在液压行业运用最多的 流量计都是接触式的，直接将流量计接入到油路中，这样就使得油路的结构复杂，影响 了系统的设计要求并且还增加了设计成本。当流量计出现故障时就要对其进行修理或更 换，就必须对液压油路进行拆卸，这样就会影响生产进度、增加了不必要的维修费用。 所以，本课题试图从上面这些成熟的测量技术和前人大量研究成果中，探索出一种专门 针对液压系统的非接触式的流量检测方法。 电磁法要求被测液体的导电率均匀、各向同向，这一特点对于液压流量的测试不适 合，因为液压油的导电率非常低，几乎可以认为为零。而涡街法是接触式测流量，是在 破坏油路的前提下对系统流量经行测量，违背了本设计的非接触测量的要求，因而予以 排除。基于对三种流量计的工作原理的分析，再结合本设计所要满足的要求，我选择利 用超声波测液体流量的原理，因为超声波的换能器安装在被测管道的外侧，它基本上不 干扰流体的流场，无压力损失，维修方便，除了可测量水和石油等一般导声流体外还可 以测量高压、强腐蚀、非导电性等导声流体，它对流体的温度、粘度、密度等因素也不 敏感，其灵敏度高，输出特性线性范围宽，没有零漂问题，通用性好，测量跟管径大小 无关。所以用超声波非常适合测液压油路中的流量，符合非接触性、高压、流速快等测 量设计要求。 1 4 论文主要研究内容 ( 1 ) 简要介绍超声波检测技术的基本知识以及超声波时差法测液压系统流量的基本原 理。 ( 2 ) 根据超声波时差法测流的原理，设计测试系统的硬件电路，同时对系统的软体进 行编程和调试。 ( 3 ) 验证测试系统的可行性。 1 5 本章小结 本章主要介绍了国内外流量检测技术的研究动态及发展趋势，叙述了本课题的研究 背景及意义，并确定了课题的主要研究方法及内容安排。 4 2 超声波时差法液压流量检测系统总体方案设计 2 超声波时差法液压流量检测系统总体方案设计 2 1 超声波检测技术的介绍 声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为1 6 h z 2 k h z 。当声波的频率低 于1 6 h z 时就叫做次声波，高于2 k h z 则称为超声波。一般把频率在2 k h z 到2 5 m h z 范 围的声波叫做超声波。它是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质 是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介 质( 实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体) ，它能透入物体内部并可以在物体中 传播。其振荡形式有两种：横向振荡( 横波) 和纵向振荡( 纵波) 。其中，纵向振荡被 广泛应用于工业中。利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散 射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织 变化等等，因此是应用最广泛的一种重要的检测技术。 2 2 超声波测流量原理分类 应用于封闭管道的超声波流量检测原理有5 种：传播时间法、多普勒效应法、相关 法、噪声法和波束偏移法。 ( 1 ) 传播时间法 这是根据超声波在流动的流体中，顺逆流传播的时间之差与被测流体的流速有关， 进而求出流速的方法。根据时差的表现形式不同可以分为直接时间差法、频差法和相位 差法。在工业测量上主要运用的是时差法。 ( 2 ) 多普勒法 多普勒超声波流量计是根据物理学中的多普勒效应来实现的。多普勒效应认为当发 射器和接收器之间有相对运动的时候，接收器所传感到的声频率会发生改变，这个相对 于声源频率的变化就是多普勒频移，其大小是正比于发射器与接收器之间的相对运动。 这种方法主要应用于精度要求不高、含有固体颗粒及杂质比较多的场合，在比较洁净的 流体中就难以发挥作用。 ( 3 ) 相关法 相关法流量计是流动标记法的一种，其原理是：测出流体在管道内流动时，流动介 质中可以观测到的某种示踪标记沿流动方向两固定点所渡越的时间，进而来求取流速及 流量。相关法测量的精度较高，多用于两相流的流速测量中。可以在测试系统中采用三 个甚至更多的控制截面来提高测量的精度。其缺点是需要多个传感器，提高了成本。相 关法的测量的特点在于寻找两路信号的相似程度，因此这种方法的测量精度与所测管道 5 西安科技大学硕士学位论文 的口径、介质的种类及流速关系不大，比较而言，相关法更适合于小管道、小流量的测 量。 ( 4 ) 噪声法 管道中流体流动时产生的噪声与流体流速有关，通过检测噪声可以求得流速值，在 测量精度不高时可以用这种方法( 1 0 以内) 。该种方法又被称为被动式测量( 凡有超声 波发射的称为主动式测量) 。 ( 5 ) 波束偏移法 波束偏移法是利用超声波束垂直流体流动的方向上入射时，由于流体的流动而使超 声波束产生偏移的现象，以偏移量的大小来度量被测流体的流速。在管道一侧装一超声 波发射换能器t ，在另一侧安装两个接收换能器1 和2 ，由t 所发射的超声波垂直于 流体流动方向。当流体静止或无流体时，这时两个接收器收到的信号强度相等，指示器 示值为零。而当流体流动时，两个接收器所接受到的超声波强度不再相等，出现差值。 上游侧的接收器输出信号电压降低，下游侧的输出信号电压升高，两个电压之比与流速 成线性关系，测得两个接收波的电压幅值差，可求得流体的流速。 2 3 超声波时差法测液压流量原理 根据对超声波测流量的各种原理的分析，再结合本课题设计的要求，选择时差法作 为检测液压系统流量的原理。 时差法的测量原理为：超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以 实现流量测量。在流速为v 的流动介质的上、下游分别放置超声波换能器1 和换能器 2 ，结构如图： 一(沁， f n 向)心f ) i 图2 1 超声波时差法原理结构图 换能器1 和换能器2 之间的距离为l ，管道直径为d ，l 与v 之问的夹角为0 。则 当换能器l 发射超生脉冲，换能器2 接收时，超声沿l 的传播速度为( c v c o s 0 ) ，其中c 是静止媒质中的超声波速度。超声波逆流由换能器1 传到换能器2 的时问t 。：为： 6 2 超声波时差法液压流量检测系统总体方案设计 t 1 2 = l ( c - v c o s e ) ( 2 1 ) 再将换能器的接发功能调换，由换能器2 发送脉冲，换能器l 接收，超声波顺流由 换能器2 传到换能器1 的时间t ：。为： t 2 l = l ( c + v c o s o ) ( 2 2 ) 于是，逆流和顺流的时间差为： 屺：屯= 焉= 擎( 1 - 等c o s 2 们 旺3 ， 因为超声波在液体里的传播速度大约为1 4 0 0 毗，而流体速度在不是很高的情况 下，可以认为：c v ，( 菩) 2 o ，则公式可以化简为： c 半，j v2 拦击 眨4 ) 这样，流体的平均流速v 就可由测量得到的声时差t 来确定。在c 和l 、0 一定 的前提下，二者成线性关系。然后，在根据流量方程求出流量q ： q27 【9 2 v 4k ( 2 5 ) 其中k 为流速分布修正系数。 2 4 超声波换能器 2 4 1 超声波换能器简介 换能器是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装 置。在声学研究领域，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的互相转 换。用来发射声波的换能器称为发射器，用来接收超声波的换能器称为接受器。根据产 生超声波的方法不同，大体上可分为两大类：一类是用电气方式，另一类是用机械方式。 电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛 等。它们产生超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不一样。目前较 7 西安科技大学硕士学位论文 为常用的是压电式超声波换能器。 2 4 2 超声波压电换能器的工作原理 压电型超声波换能器的核心是压电晶体，其主要是借助于压电晶片的压电效应进行 工作。当给压电晶片的两端施加电压时，晶片发生形变，从形变位置回到平衡位置的过 程中，其会以自身固有的频率做衰减的机械振动。于是压电晶片的机械振动在周围的介 质中传播便会产生一个衰减的超声波脉冲信号，此效应称为逆效应，用于超声波的发射。 当压电晶体在发生机械形变时，也会在其两端产生感应电压。压电晶片在其恢复形变回 到平衡位置的衰减振荡过程中，会在其两端产生一个衰减的与压电晶体振动频率相同的 交变信号，此效应称为j 下效应，应用于超声波的接收。 2 4 3 超声波压电换能器的结构及各部分的作用 超声波压电式换能器的结构如图2 2 所示，压电换能器由压电晶体、保护膜、阻尼 块、电缆线等部分组成。斜探头通常还有一块使晶片与入射面成一定角度的斜楔。压电 换能器各组成部分的作用如下： ( a ) 直探头 1 接头2 外壳 5 阻尼块6 压电晶体 ( b ) 斜探头 3 电缆线4 吸卢材料 7 保护膜8 斜楔 图2 2 超声波换能器的基本结构 ( 6 ) 压电晶体 压电晶体是以压电效应发射并接收超声波的元件，是探头中最重要的元件。晶体的 性能决定着探头的性能。晶体的尺寸和谐振频率，决定着发射声场的强度、距离幅度特 性与指向性。其制作质量的好坏，关系到探头的声场对称性、分辨力、信噪比等特性。 晶体可制成圆形、方形或矩形。其中压电晶体材料多为锆钛酸铅( p z t ) 。尽管它具有机 械品质因数大、不容易获得窄发射脉冲、容易产生横向的其它振动、材料特性差异大等 缺点，但它价格便宜，容易制成尺寸较大的、各种形状的晶体，在频率为l o m h z 以下 的探头中，应用非常广泛。 8 2 超声波时差法液压流量检测系统，总体方案设计 ( 7 ) 保护膜 由于压电晶体很脆，因此很容易受到损坏。为此，常在晶体前面粘附一层薄的保护 膜，以保护晶体和电极层不被磨损或碰坏。 ( 8 ) 阻尼块 阻尼块是由环氧树脂和钨粉等按一定比例配成的阻尼材料，粘附在晶体后面。阻尼 块的作用一是对压电晶体的振动起阻尼作用；二是吸收晶体向其背面发射的超声波；三 是对晶体起支承作用。 ( 9 ) 电缆线 电缆线可消除外来电波对探头激励脉冲及回波脉冲的影响，并防止高频脉冲以电波 的形式向外辐射。 ( 1 0 ) 斜楔 斜楔是斜探头中为了使超声波倾斜入射到检测面而安装在晶片前面的楔块。斜楔使 探头的晶体和试样表面形成一个严格的夹角，以保证镜片发射的超声波按照设定的入射 角倾斜入射到斜楔与试件的界砸，从而能够在界面处产生所需要的波形转换，在试件内 形成特定波形和角度的声束。有了斜楔，晶片就不直接与试件接触，所以，有斜楔的探 头就不再需要保护膜。 2 4 4 超声波换能器的性能指标 超声波换能器的性能指标主要包括工作频率、工作温度、灵敏度等。 ( 1 ) 工作频率 工作频率就是压电晶片的共振频率。当加在压电晶片两端的交流电压的频率和晶片 的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。超声波频率的大小与它的能量直 接相关，在常温常压环境下进行测量一般要求压电晶片的频率在几十千赫兹。在本次设 计中，系统设计是为了检测介质流速及流量，根据超声波时差法测流的原理，需要频率 较快的超声波，因此采用了中心频率为2 5 m h z 超声波换能器。 ( 2 ) 工作温度及耐腐蚀性 当液体温度很高或液体的酸碱程度较大时，需使用经过特殊加工的超声波换能器， 以便适应工作环境的需要。 ( 3 ) 灵敏度 灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。 “) 发射角度 发射角度决定了超声波换能器在安装时的放置位置。 ( 5 ) 发射功率 超声波换能器的发射功率决定了超声波发射电路采用多大的功率来激励超声波换 9 西安科技大学硕士学位论丈 能器产生超声波。 ( 6 ) 盲区大小 每个超声波换能器都有其因制作工艺问题而产生的工作盲区。从某种意义上来说， 盲区大小决定了超声波换能器之间的最小距离。 2 5 系统总体方案设计 基于超声波时差法测液压系统流量系统总体方案设计如图2 3 所示，超声波时差法 的实质就是利用超声波在被测介质中顺流和逆流传播所用的时间之差。根据传播时间之 差和被测介质流速之间的换算关系，即公式2 4 ，得到被测介质的流速，进而换算出被 测介质的流量。所以，本课题的关键就是如何实现对超声波在介质中传播时间的准确计 时。针对这一关键问题，通过搜集大量的资料和文献，最终决定使用复杂可编程逻辑器 件( c p l d ) ，来作为检测系统的计时模块。c p l d 优良的性价比，简单方便的开发环境， 高速的工作时钟，使其成为本课题关键部分。同时，由于c p l d 本身是可编程逻辑器件 的特点，使得原来系统设计所需要的很多逻辑器件都可以通过对c p l d 进行编程，将它 们都集成到c p l d 的内部。这样使得系统设计得到很大程度简化，提高了系统的集成度， 降低了系统的设计费用。系统总体设计在确定了c p l d 的使用之后，又围绕着c p l d 进 行了超声波驱动电路、超声波接受及放大电路、过零比较电路、单片机与c p l d 以及上 位机的通讯、温度传感器和显示电路的设计。 图2 3 测试系统总体方案设计图 1 0 2 超声波时差法液压流量检测系统总体方案设计 2 6 本章小结 本章首先全面介绍了超声波检测技术的理论知识，分析了超声波测流量的原理及分 类。通过对各种检测流量原理的比较，从中选取时差法作为最终方案，并详细叙述了超 声波时差法测流量的原理。简要介绍了超声波换能器的结构及工作原理，并提出了超声 波时差法测流量的总体设计方案，为后续的系统的设计奠定了基础。 西安科技大学硕士学位论文 3 超声波时差法液压流量检测系统的硬件设计 根据超声波在被测介质中的顺流和逆流的时间差与被测介质的流速及流量之间的 关系，搭建测试系统平台。其中，系统的硬件电路的设计在整个检测系统中占有很重要 的地位，并很大程度上直接影响到整个检测系统运行的稳定性和可靠性。超声波时差法 流量检测系统的硬件系统主要由超声波驱动电路、超声波接受电路、过零比较电路、 c p l d 及单片机控制电路组成。 3 1 超声波发射电路 超声波发射电路是整个检测系统的重要部分，其设计得是否合理和可靠直接影响到 后续的设计是否能够顺利进行。同时还需要发射的超声波具有良好的稳定性，即声功率 和波形具有很好的重复性，这样的超声波信号才具有对其进行处理的意义。 3 1 1 超声波发射电路的工作原理 根据所选用的超声波换能器的发波特性，发射电路采用了非谐振式发射方式来驱动 换能器。因为换能器只有在其固有频率范围之内，才能够正常工作产生超声波。换能器 的固有频率会随着环境温度、压力的变化而发生一些细微的变化，但是在室温基本恒定 的情况下，可以认为其固有频率是基本不变的。因此采用非谐振式发射方式不用人为调 整电路的谐振频率，使之等于换能器发射超声波时的固有频率，使发射的超声波具有良 好的重复性，便于后续电路对其进行处理。 发射电路图如图3 1 所示，此超声波发射电路采用了电容储能的发射方式。发射电 路的触发脉冲信号是由c p l d 内部驱动脉冲模块所提供。整个电路的工作原理为：当 c p l d 向6 n 1 3 7 输出为低电平时，功率开关场效应管i i 讧8 4 0 处于截止状态，超声波驱 动电源通过电阻r 5 、r 6 给电容c 2 充电；当c p l d 向6 n 1 3 7 输出高电平时，即输出驱 动脉冲时，此驱动脉冲通过光耦6 n 1 3 7 和场效应管驱动芯片m c 3 3 1 5 2 后将功率开关场 效应管i r f 8 4 0 快速导通，从而把电容c 2 耦合形成的电压负脉冲瞬间加在换能器上，即 c 2 处于放电状态，激励超声波换能器向外界发射超声波信号。在超声波换能器上并联 一个电阻r 7 ，是为了加速消除超声波换能器上的余振，同时也可以减小发射的超声波 脉冲宽度，提高超声波信号的分辨率。 1 2 3 超声波时差法液压流量检测系统的硬件设计 图3 1 超声波发射电路 3 1 2 超声波发射电路的组成 超声波发射电路主要由模数隔离电路、场效应管驱动电路两部分组成。 ( 1 ) 模数隔离电路 信号采集系统通常是模拟电路和数字电路的混合体，其中模数变换是不可缺少的。 从信号通路来说，信号变换之前是模拟电路，之后是数字电路。模拟电路和模数变换电 路决定了系统的信噪比，而这是评价采集系统优劣的关键参数。为了提高信噪比，通常 要想办法抑制系统中噪声对模拟和模数电路的干扰。在各种噪声当中，由数字电路产生 并串入模拟电路的噪声普遍存在且较难克服。数字电平上下跳变时集成电路耗电发生突 变，引起电源产生毛刺，通常对开关电源影响比线性电源大，因为开关电源在开关周期 内不能响应电流突变，而仅由电容提供电流的变化部分。一般数字电路越复杂，数据速 率越高，累积的电流跳变越强烈，高频分量越丰富。所以采用6 n 1 3 7 光耦合器将模拟电 路和数字电路彻底隔离，提高系统的信嗓比。 6 n 1 3 7 光耦合器是款用于单通道的高速光耦合器，其内部由一个8 5 0 纳米波长砷化镓 铝l e d 和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个 肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输 出隔离，l s t t l t t l 兼容，高速( 典型为1 0 m b d ) ，5 n 认的极小输入电流。隔离电压高 达2 5 0 0 v ，负载为3 5 0 q 时导通延迟仅为4 5 n s 的高速光耦。其结构如图3 。2 所示，信号 从脚2 和脚3 输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏 管光照后导通，经电流电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能 端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当 输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路 1 3 西安科技大学硕士学位论文 的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。 li 输入使能输出 hhl lh h hl h llh 图3 26 n 1 3 7 结构图及逻辑状态表 6 n 1 3 7 光耦合器的应用实现了将单片机和c p l d 组成的数字电路与超声波发射、接 收及放大等模拟电路的完全隔离，提高了系统的信噪比。同时，c p l d 和单片机都是3 3 v 的低压电子芯片，通过6 n 1 3 7 将3 3 v 的信号增强到5 v ，提高了对高速双m o s f e t 驱 动器m c 3 3 1 5 2 的驱动能力。 ( 2 ) 场效应管驱动电路 在超声波发射电路中，场效应管i r f 8 4 0 的栅极采用了高速光电耦合器6 n 1 3 7 和高 速双m o s f e t 驱动器m c 3 3 1 5 2 相结合的模数隔离的驱动方案。 场效应管i r f 8 4 0 的结构图如图3 3 所示，三端分别为：栅极( g ) 、漏极( d ) 及源极( s ) 。 i i u 8 4 0 为电压控制型n 沟道增强型绝缘栅功率场效应管，是单极型晶体管。场效应晶体 管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小， 其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。具有输入阻抗高、开关速度快、驱动功率 小、热稳定性好、耐压高、安全工作区宽和无二次击穿等特点。其中，i r f 8 钧可承受 5 0 0 v 的高压，最大导通瞬时电流可达8 a ，导通后的阻值为0 8 5q ，这种特性已经很接 近理想开关。 图3 3 场效应管i r f 8 4 0 结构图 根据i r f 8 4 0 的技术资料以及测试系统硬件设计要求，栅极驱动电路的设计必须满 1 4 8 k 、 眦 + k ， 3 超声波时差法液压流量检测系统的硬件设计 足一下四点才能使i r f 8 4 0 和后续电路正常工作。 触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度； 开通时以低电阻为栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率 场效应管的开关速度； 为了使功率m o s f e t 可靠触发导通，触发脉冲电压应高于场效应管的开启电压； 为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压； 功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极问电容越 大，所需电流越大，即带负载能力越强。 对于场效应管i r f 8 4 0 ，电压与电流之间的关系通常用转移特性和漏极特性这两条曲线 来描述场效应管电压与电流之间的关系。场效应管i r f 8 4 0 典型漏极特性曲线图如图3 4 所 示： 1 5 1 2 9 司 占6 3 j 魄l = 1 d v 旦y 竖1 2 譬，竺2 譬嘶： f 0 l 竺=：q 3 h簟r 。s s 一口v v g s = 5 ，5 、， 、f g g = 5o v t ，t ， vr t = 0 v 。语暑一。删二 -ii ，l 1 5 西安科技大学硕士学位论丈 出级两部分。输入级由具有最大带宽的逻辑电路施密特触发器组成，并利用二极管实现 双向输入限幅保护。输出级被设计成图腾柱电路结构形式。基准电压为5 7 v 的比较器与 施密特触发器输出电平的逻辑判定决定了与非门的输出状态( 同相或反相输出) ，进而决 定了两个相同的输出功率管的“推”或“挽”工作状态。这种结构使该芯片具有强大的驱动 能力及低的输出阻抗，其输出和吸收电流的能力可达1 5 a ，在1 0 a 时的标准通态电阻为 2 4 q ，可对大容性负载快速充放电；对于1 0 0 0 p f 的容性负载，输出上升和下降时间仅 为1 5 纳秒，逻辑输入到驱动输出的传输延迟( 上升沿或下降沿) 仅为5 5 纳秒，因而可高速 驱动功率场效应管。每个输出级还含有接到v c c 的一个内置二极管，用于箝制正电压瞬 态变化，而输出端要接1 0 0 k q 降压电阻，用于保证当v c c 低于1 4 v 时，保持场效应管 的栅极处于低电位。 l o g 耙 l f i o 沮a l o g j c h o 饵b 图3 5m c 3 3 1 5 2 的内部功能框图 3 2 超声波接收放大电路 发射电路产生的超声波信号进过液压系统的流体介质被接收放大电路所获得，并将 超声信号进行三级放大处理，便于后面的比较电路对其进行过零比较。接收放大电路设 计直接关系到比较器所得的信号是否稳定，能否对其进行电压比较处理，从而给c p l d 提供停止计时的信号。发射探头发射出来的超声波进过液压系统的传动介质被接受探头 所接收。但是由于噪声和加载在i f r 8 4 0 的漏极电压比较低，使得接收到的超声波信号 很微弱。通过示波器观察超声波信号的幅值大概在2 0 0 m v 至3 0 0 m v 之间，同时伴随着 很大的噪声干扰，使得接收到的信号的效果很差。针对这些问题，超声波接收放大电路 能够很好的改善，其由限幅电路、阻抗匹配电路、放大滤波电路组成。 1 6 3 超声波时差法液压流量检测系统的硬件设计 3 2 1 限幅电路 限幅电路如图3 6 所示。由于测试系统所采用的超声波探头为一对收发型探头，即一 个探头既能发射超声波又能对超声波进行接收，而设计系统时将它们分别固定为发射端 和接收端，即将超声波探头分开进行工作。这样做可以避开压电陶瓷余振严重和单发单 收探头检测死区较大等问题。 但是接收到的超声波信号往往都伴随着噪声，这些噪声的幅值和频率都很大。如果 将这样的信号送入后续的放大电路，那么就会使得集成运放将噪声信号进行放大，放大 之后的噪声信号的幅值将远远超出集成运放允许的最大输出电压，进而将集成运放烧坏 使之不能正常工作。为了防止噪声信号进入到接收换能器，故采用了双向限幅电路。具 体作法是将两个二极管i n 4 1 4 8 以反向并联的方式接入到电路中。由于i n 4 1 4 8 的导通压 降为o 7 v ，而通过示波器看到的超声波信号的幅值大约为2 0 0 m v 至3 0 0 m v 之间，那么 将接收到的信号的幅值限制在o 7 v 之间完全可以让超声波信号通过，同时将幅值较大 的噪声和脉冲干扰信号