燕山大学毕业研究基于压电传感器的涡街流量测量仪的设.doc

【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人！本科毕业设计(论文)基于压电传感器的涡街流量测量仪的设计与研究燕 山 大 学2014年 6月 本科毕业设计(论文)基于压电传感器的涡街流量测量仪的研究与设计学院（系）： 专 业： 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：仪器科学与工程系 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称基于压电传感器的涡街流量测量仪的设计与研究题目性质1.理工类：工程设计 ( )；工程技术实验研究型( )；理论研究型( )；计算机软件型( )；综合型( )。2.文管类( )；3.外语类( )；4.艺术类( )。题目类型1.毕业设计( ) 2.论文( )题目来源科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容1论证流量测量的基本特性；2涡街流量传感器的机械结构设计，传感器的电路设计及参数计算；3. 信号检测与处理系统的硬件及软件；基本要求1 了解特定被测量的测量原理及方法2 掌握传感器的机械设计方法及参数计算3 掌握基于压电敏感器件以及光纤传感信号拾取处理4 绘出测量系统的原理图及详细电路图5. 按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份(不少于2.4万字)，A0图纸。说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。参考资料1参考书：传感器， 传感器电路，微机原理及其应用2相关国内外期刊和论文文献周 次14周58周911周1215周1618周应完成的内容收集查阅有关资料搞清设计原理提出设计方案系统结构设计信号系统电路设计完成论文初稿并进行修改撰写论文准备答辩指导教师： 王玉田职称： 2013年11 月7日系级教学单位审批： 年 月 日【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人！摘要压电式涡街流量计以卡门涡街原理和压电效应为基础的，与其他的流量测量仪相比，优势突出，特点鲜明，在许多行业得到了广泛的应用，同时得到了迅速的发展。本文从涡街流量计的原理与基本结构入手，以整体系统硬件部分为论述重点其中包括模拟信号处理电路、以MSP430为核心的控制电路还有以DSP为核心的数字信号处理电路三部分完成数据采集、传输与处理、结果显示与存储。基于传统涡街信号处理方式的方法，采用了基于整数倍抽取的频谱细化技术ZOOM-FFT算法，提高 FFT算法的分辨率；采用单片机与DSP相结合的数字处理技术可同时满足系统稳定性和实时性的需要；为保证两个处理器间的相互协调，高效工作，充分利用HPI口完成信号处理器与控制器间的信息传输与信号传递，将低功耗的设计理念渗透到系统各个部分设计之中，最终完成了传感器信号通过单片机处理后在液晶显示器中的呈现。通过理论验证，本文所设计的涡街流量计在双处理器的协调配合下能够高效、准确地完成流量测量任务，且操作方式简单易行，实现了最初的智能化设计要求。关键词涡街流量计；传感器；低功耗设计；ZOOM-FFT算法；数字信号处理AbstractPiezoelectric vortex flowmeter is based on Karmen principle of the vortex and the piezoelectric effect ,Compared with the other flow measuring instrument, is prominent ,also has distinctive characteristics and has been widely applied in many industries ,At the same time ,vortex flowmeter has been rapid development ,but its anti-jamming ability is weak, the limit of high flow meter is lower.Starting from the principle of vortex flowmeter and the basic structure ,the whole system hardware part is discussed including the analog signal processing circuit ,control circuit with MSP430 as the core and taking DSP as the core of digital signal processing circuit three parts to complete data collection, transmission and processing ,result display and storage .The traditional vortex signal processing method based on the shortcomings ,using spectrum zoom technique ZOOM-FFT algorithm for integer times of extraction based on FFT algorithm ,improve the resolution ;digital processing technology using SCM and DSP combination can meet the need of the system stability and real-time;to ensure the coordination ,two inter processor efficient work ,make full use of HPI port to complete information transmission and signal processor and controller transfer between the penetration ,low-power design concept to various parts of the system design ,the final completion of the sensor signal through the monolithic machine processed in a liquid crystal display shows .Through theoretical validation ,vortex flowmeter is designed in this paper can efficiently, accurately complete the flow measurement tasks in coordination with dual processor ,and the operation is simple and easy ,the realization of the intelligent design requirements for initial.Keywords vortex flowmeter； sensor； low power design；ZOOM-FFT algorithm； digital signal processing【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人！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163.2 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223.3.1 DSP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324.3 DSP程序设计334.4 ZOOM-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480【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人！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，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 DSP 功能不够强大，无法同时完成大量计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，DFT 采一点计算一点，可以及时计算出结果，同时减少了计算量；二是采用简单整系数数字滤波方法，采用整系数法减少了计算量，便于实时实现5，同时数字滤波法提高频率估计精度。 中国科技大学的黄丹、周康源等人将小波变换法应用于涡街流量信号处理，利用 Mallat算法对涡街流量信号进行多分辨率分析，去除信号中所含的噪声，成功研制了基于 MSP430的涡街信号处理系统6。系统虽然提高了涡街信号测量精度，但是没有对涡街信号的幅度变化范围较大的问题进行深入研究。 合肥工业大学自动化研究所是国内研究流量计比较早的研究所，他们所【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人！采用的数字信号处理算法有：基于 FFT 的经典谱分析法、基于 Burg 算法的现代谱估计法、自适应陷波法、小波分析法、自适应滤波法等等。基于 FFT 的经典谱分析方法直接用傅里叶变换计算有限序列的功率谱，求出信号频率，这种方法对谐波的抑制能力强，但在非整周期采样时，会有较大的泄露误差，因此还要采用频谱校正的方法来提高测量精度；基于 Burg 算法的现代谱估计法，利用最大熵谱，可提高分辨率7-9；用自适应滤波方法也取得了较好的效果，但不足之处是就是采样点数多，计算时间长，实时性差。在大量研究的基础上，他们还成功的研制出以数字信号处理芯片(DSP)为核心的涡街信号处理系统。而且他们的研究受到国内外同行的密切关注，推动了涡街流量计向更高的层次发展。 总的来说，在涡街信号处理技术方面，国内还处在研发阶段，还有待进一步研究，随着数字信号处理技术在涡街流量计中的应用的不断深入，困扰涡街流量计进一步发展的问题都将得到更好的解决，在工程化方面还有待更广泛的验证与应用。1.2.2 国外研究现状世界上最早生产涡街流量计的是日本的 Yokagawa 公司，它于 1968 年生产出第一台涡街流量计。Yokagawa 公司在涡街流量计的研究上一直处于领先地位。它采用频谱分析的数字信号处理方法，以微处理器为核心研制了数字式涡街流量计(YEWELO)。根据信号频谱，结合最佳噪声比搜索算法，设置带通滤波器的参数，有效的滤除了噪声，提高了测量精度。Rosemount 公司以其自己开发的数字跟踪滤波器专用芯片为核心，设计了涡街流量计数字信号处理系统。数字跟踪滤波器专用芯片是由一系列截止频率不同的高通、低通滤波器组成，它能根据涡街信号的特点，选择合适的滤波器，提高了测量的可靠性和准确度10-11。 Foxboro 公司采用自适应滤波技术处理流量信号。涡街传感器输出信号首先通过带通滤波器，该带通滤波器的截止频率可以根据涡街信号的频率动态调整。当涡街信号频率变化较小时，滤波器的截止频率设置为跟踪信号的变化频率；当涡街信号频率变化较大时，设置为搜索频率模式，重新检测涡信号的频率，这样滤波器跟踪到的总是涡街信号的频率12-13。 日本横河公司在信号处理上采用了与 Yokagawa 公司相同的频谱分析处理技术，但在结构采用了抗振设计，即把两个压电晶体放置在以振动零弯矩点为中心的对称位置上，就可以减小振动噪声对涡街信号的干扰14。1.3 压电式流量计的优缺点一次和二次装置是压差式流量计的主要构成部分。所谓一次装置指流量测量元件，经常使用的有节流装置和皮托管、均速管等动压测定装置，这些装置在被测流体管道中安装后，产生的压力差与流量成一定比例，此压力差是二次装置后进行相应转化显示流量的数据基础。二次装置包含各种形式的压差计与显示仪表，产生于测量元件上的压差信号传送到压差计后，会被转化为对应流量在显示仪表中输出。流量显示仪表均包含开平方装置以转化差压和流量间的平方根关系。为便于经济核算，很大一部分仪表还具有累计流量计算功能。压差式流量测量是一种发展较早、技术成熟的方法，现阶段世界各国对于压差式流量计的使用都十分普遍。压差式流量计优点： 1) 构成稳固，使用稳定，寿命较长； 2) 所有流量计中使用量最大的一种； 3) 所含器件不产自一个生产厂家，有利于规模化经济生产。 缺点： 1) 对于上游直管段的要求 涡街流量计是一种典型的速度式流量计，旋涡分离的稳定性受发生体上游流场畸变、旋涡流等影响，所以安装仪表应根据上游阻流件的不同形式，配置不同长度的上下游直管段； 2) 管道与环境的振动对检测元件和测量效果有影响 涡街流量计是流体振动流量计，当工作管道振动较强，且振动方向与发生体相垂直，振动频率与旋涡频率相同或相近时，对旋涡稳定分离就会产生影响； 3) 下限流量不能太低 涡街流量计的下限流量受到雷诺数和检测元件灵敏度两个条件的制约。大多数的涡街流量计的下限雷诺数为(1-2)10，只有当仪表工作在下限雷诺数以上的区域时，才能保证进入平直段，仪表才能进入线性工作区域。同时由于旋涡的强度与流速平方成正比，所以在量程下限的低速区，旋涡信号非常微弱，能否有效的检测到旋涡信号就取决于检测元件的灵敏度。受到以上两个因素的制约，涡街流量计的下限流速不能太低。一般情况下，液体的流速下限为0.3-0.5 m/s，气体的下限流速为3-5m/s； 4) 不宜测量混相流和脉动流 混相流和脉动流对涡街流量计的影响还缺少理论和实践经验，仍处于探索阶段，尚未进入实用；5) 抗脏污能力较差 流体中的固体、杂物的冲击会损害压电晶体等元件。应用概况： 差压式流量计是应用范围最广、使用量最大的流量计，可应用于封闭管道各种对象的流量测量。在流体状态、工作状态、管径要求、流动条件等几个方面均有很强的适应性。差压式流量计在工业部门的使用则更为普遍，全部流量计使用总量的1/41/3份额被压差式流量所占据。1.4 研究目的及意义计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的重要组成部分，它与国民经济、国防建设、科学研究有着密切的关系。工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。在能源计量中，使用了大量的流量计，例如石油工业，从石油开采、储运、炼制直到贸易销售，任何一个环节都离不开流量计。在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了人们的特别关注，因为在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量准确度和可靠性要求特别高。除此之外，在煤气、成品油、液化石油气、蒸汽、压缩空气、氧气、氮气、水的计量中，也要使用大量的流量计，其中很大一部分用于贸易结算，计量准确度需满足国家的有关标准，这对流量测量提出了很高的要求。只有做到准确测量，才能做到节能有数，耗能有据在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。在科学试验领域，种类繁多的流量计提供了大量的实验数据。这一领域中使用的流量计特殊性更多，其中流体的高温、高压、高豁度以及变组分、脉动流和微小流量等都是经常要面对的测量对象。流量测量是一门复杂、多样的技术。人们对测量精确度的要求越来越高，而且测量对象复杂多样。如流体种类有气体、液体、混相流体，流体工况有从高温到低温的温度范围，从高压到低压的压力范围，既有低薪度的液体，也有豁度非常高的液体，而流量范围更是悬殊，微小流量只有每小时数毫升，而大流量可能每秒就达数万立方米。而沙脉动流、多相流更增加了流量测量的复杂性。另一方面，这种复杂性和多样性促进了人们对流量测量仪表的应用研究。现阶段，流量检测的研究虽然取得了一定成绩，但该领域仍有许多问题亟待研究、亟待解决。热工和其它现代工业发展的迫切需求要求国内外科研工作者积极投入到该领域的研究工作中去，加快发展步伐，提高技术水平，让它更好地为生产、生活服务，流量检测技术的进步对促进工业发展和经济进步具有重要意义。【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人！第2章 涡街流量计的工作原理及检测方法2.1 涡街流量计的工作原理2.1.1 压电传感器的原理当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就会产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为压电效应。压电传感器大多是利用正压电效应制成的。相反，当在晶体的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致仲缩现象。应用具有压电效应的材料制作的检测元件，称为压电元件。在检测技术中，压电元件是一种典型的力敏元件，应用它可以检测压力、加速度、振动等。图 2-1压电元件等效电容 (2-1)式中s为极板面积， 为压电材料的相对介电常数， 为真空介电常数， 为压电元件的厚度。压电元件两端输出电压为: (2-2) 图 2-2 电压源压电传感器可以等效为一个电压源和一只电容Ce的串联，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数按指数规律放电。因此，必须在压电传感器上加交变力，电荷才能不断得到补充，供给测量电路一定的电流，故压电传感器只适宜作动态测量。2.1.2 旋涡发生体的原理涡街流量计是依据卡曼涡街而研制成的一类新型流量检测仪表，其基本工作原理如图2-3所示，在测量的管道中垂直地插入一个非流线型的阻流体，也称为旋涡发生体。当管道内的流体流过该旋涡发生体并在管道雷诺数达到一定条件时，发生体的两侧会交替地分离出规则稳定的旋涡，称为卡曼涡街。当旋涡发生体的左侧或者右侧产生一个旋涡后，在旋涡发生体上会产生一个升力，此时，安装在旋涡发生体内部的应力式压电传感器就可以将这个作用在旋涡发生体上的升力转换为电荷信号。而电荷信号变化的频率与旋涡的分离频率是一致的。所以通过检测压电传感器输出信号的频率，就能得到旋涡的分离频率，从而实现流量的测量。而卡曼从也已经从理论上证明了非对称的旋涡列能保持稳定的条件即当两列旋涡之间的距离 h 与同列的两个旋涡之间的距离 L 满足关系15 h/L=0.2806。此时，旋涡频率 f 与旋涡发生体两侧的流速之间 v的关系式可表达为： (2-3) 式中 旋涡的频率，Hz；斯特罗哈数；旋涡发生体的宽度，m；流体流速，m/s；图 2-3 卡曼涡街示意图斯特罗哈数 与旋涡发生体宽度 、雷诺数三者之间的关系如图 2-4 所示。当雷诺数 时， 为一变化的量值；当取值在 内变化时，斯特罗哈数基本为一常量15。当满足雷诺数范围条件时，斯特罗哈数与旋涡发生体宽度均为定值，由式(2-3) 可知，流体流速v仅与卡门涡街释放频率 f 有关，而不受流体特性及环境参数的影响。因此只要获得卡门涡街释放频率f 即可根据公式求出流体的平均流速v。由于旋涡发生体在管路内的置入导致旋涡发生体所在位置的流速与管路内其它位置的平均流速不同，由流体连续方程： (2-4)式中 通过流量计的流体流量； 管道的横截面积； 非旋涡发生体处流体平均流速； 旋涡发生体处管道的横截面积； 旋涡发生体处流体平均流速。图 2-4 斯特罗哈数随雷诺数变化示意图设 当满足条件时，可认为 (2-5)式中 旋涡发生体宽度； 流量计管道内径。由式(2-3)(2-5)可知式(2-4)可表示为： (2-6)令 (2-7)则式(2-6)可表示为 (2-8)式中，参数k表示流量系数。由式(2-7)可知，当管路内径与旋涡发生体宽度为一定值时，流量系数k的大小也就随之确定。在流量系数k确定的前提下由式(2-8)可知，在一定的雷诺数范围内，流量和旋涡频率之间表现为线性关系，测量出旋涡频率变成了获得流量大小的唯一条件。 由于旋涡在三角柱形旋涡发生体两侧接连产生，旋涡产生时柱状物一侧压力减小，另一侧就会产生一个作用力作用于本侧，同理，旋涡产生于柱状物另一侧时所产成的作用力与前一作用力方向相反。循环往复，便有一个频率与涡街产生频率相同的交变作用力作用于旋涡发生体，这个力俗称“升力”，即是流量计检测涡频率的手段。由于升力的作用使得柱状物两侧产生的压力脉动，通过柱体上的导压孔对插入柱体内部的探头体产生交变应力，受交变应力作用埋设在探头体内的压电晶体元件便会产生压电效应的交变电荷，把交变电荷进行放大变换处理后，即可输电压脉冲信号，此信号频率与涡街频率一致。2.2 涡街流量计的组成结构传感器与转换器是涡街流量计的主要组成部分。传感器主要由旋涡发生体及仪表表体两个部分构成；转换器则是检测元件与前置放大器、滤波整形、D/A 转换等电信号处理环节的组合。现在逐渐兴起的智能型涡街流量计还在转换器部分加入了微处理器和为数不少的功能性模块，具备了显示、通信等多项功能。首先对传感器各主要组成部分性能进行分析： 旋涡发生体是流量计实现检测功能的主要部件，旋涡发生体的选择将直接影响仪表各方面的特性，在实际应用中，对旋涡发生体的选择主要基于以下几个方面的考虑：(1) 所产生的旋涡必须保证在轴线方向上实现同步分离；(2) 满足斯特罗哈数保持不变的雷诺数要求，保持旋涡分离点的稳定； (3) 产生足够大功率的涡街信号，具有较强的抗干扰能力； (4) 形状和结构简单，便于加工； (5) 旋涡发生体的材质能够经受住任何形式和状态的流体介质考验； (6) 自身振荡频率在涡街信号频带宽度内没有重合点； (7) 旋涡发生体的截面形状必须是钝的，才有可能产生旋涡； (8) 旋涡发生体应具有形成接近二维流动的结构。现有的旋涡发生体种类很多，根据产生旋涡的特性不同大致可分成单旋涡与多旋涡两大类，具体形状比较如图2-5所示。包括圆柱、矩形柱和三角柱在内的几种形状都是单旋涡发生体比较常见和常用的，当然还有这几种形状的变形形状，其中三角柱形的使用最为普遍。多旋涡发生体的主要优势是产生的旋涡强烈且具有较高的稳定性，但它的应用不如单旋涡发生体16 。转换器的主要功能是将检测元件产生的电荷量转换成脉冲信号或标准电流信号。检测元件完成由涡街信号向电信号的转换后，十分微弱的信号中夹杂有各种成分的噪声与干扰，造成信号信噪比很低，必须将信号放大后通过低通滤波器将噪声部分滤除，再对信号进行整形处理，最终才能得到与流体流量成比例关系的脉冲信号。转换器原理图如图 2-6所示：(a) 单旋涡发生体图2-5旋涡发生体结构比较图 (b)双(多)旋涡发生体 图2-5旋涡发生体结构比较图图 2-6 转换器原理图2.3 旋涡发生体的分类按漩涡发生体的端面不同，涡街流量计可以分为以下几类。2.3.1 圆柱涡街流量计圆柱涡街流量计柱体断面轮廓是圆。圆柱具有较高的St数(约 0.20)，但圆柱需要采取边界层控制措施才能在圆管内形成稳定涡街。通过采用抽吸作用边界层控制技术、横向流检测方法和置十横流孔中的热丝，再加上恒温电路来检测横向脉动频率。圆柱直径与管道直径，一般不具有固定比值，即采用同一柱体用于不同管道的方法。由于采用小柱宽比(圆柱的宽度与高度之比)，压力损失小，便于制成插入式大口径的流量测量。圆柱形状简单，但是边界层控制技术的要求使结构复杂化了，同时由于圆柱体用于不同的管道，使得管内流速分布的变化影响着仪表的精度。一般地，圆柱涡街流量计多采用热丝检测。2.3.2 矩形柱涡街流量计矩形柱形状简单，利于大批量生产，由于形状变化快，漩涡强度大，涡街信号强烈。实验表明，矩形柱体的长宽比b/d对漩涡强度有明显影响，漩涡强度和阻力损失是b/d的函数，当b/d=0.67时漩涡达到最强程度，此时的阻力系数Cd也增到一个极大值，b/d=0.67的矩形柱St数约为0.1660。目前存在的问题是b/d=0. 67的矩形柱，其St线性度并不是最佳状态，同时压力损失大。目前采用的检测方法是差动电容检测脉动压差。2.3.3 三角柱涡街流量计 这是一种具有较好发展潜力的柱形，柱体断面是等腰三角形切去三个顶角，同时底边迎向流体，三角柱漩涡强度适中，涡街稳定而规则，在较宽的Re数范围内有线性度很高的St数。三角柱形采用的检测方法最多，现已发展到十多种系列几十种规格的三角柱涡街流量计。2.3.4 梯形或T形柱涡街流量计这两组柱型实质是三角柱的变型。不难看出三角柱当顶角切去部分较大时便成梯形柱。这种柱型与三角柱相比，采用应力检测方法更为有利。而T形柱的长宽比应与三角柱接近，T型的尾部平直便于安装差压传感元件，适用于采用外置热敏电阻的检测方式。2.4 旋涡分离频率的检测方法利用伴随漩涡分离的物理效应，可以采用热敏、力敏元件或通过光、声调制方法等来检测漩涡分离频率。至今用于检测分离频率的方法和采用的元件是多种多样的，归纳起来有以下几种典型方法：1) 热敏元件检测方法漩涡分离产生的交变环流所引起的整体表面速度脉动或者交变横向流的频率，用加热的金属丝、热敏电阻器等进行检测。2) 力敏元件检测方法漩涡分离造成的交变差压、交变升力或者交变升力引起的机械振动，用差动电容、电阻应变片、压电晶体、压电陶瓷等检测。3) 电磁传感器检测方法漩涡的分离所引起的膜片或者梭球等的往复振动的频率，用电磁传感器检测。4) 声、光信号调制检测方法利用声束光束通过涡街时受到漩涡的调制，由接收声强光强或相位的脉动频率得到漩涡分离频率。由于涡街流量计是利用流体自身的规则振荡来计量流量的，因而对流体的速度分布及流动噪声，比较敏感，因此在应用过程中对管道安装状况要求较高。对上游不同形式的阻力件必须配置足够长的满足不同要求的直管段，以保证仪表的测量精度。在实际应用过程中，由于场地限制，有时不能提供足够长的直管段，为保证涡街流量计的准确测量，缩短直管段长度，可在上游阻力件和仪表之间装设整流器，使得不利于测量的流动状态进行整理、疏导消除流场的畸变和附加漩。在应用中要求涡街流量计与管道法兰连接使用的密封垫圈，不能突出管道内，以免造成测量误差。压电晶体的灵敏度高、体积小、线性范围大、结构简单、可靠性好、寿命长。因此，我们研究的涡街流量计系统采用力敏元件(压电晶体)来检测漩涡的频率。2.5 本章小结 本章介绍涡街流量计利用“卡曼涡街”原理进行流量测量的理论，分析在满足雷诺数范围要求的前提下，通过测出涡频率，就能求出流量，从而为系统整体设计提供理论基础，并根据涡街流量计组成结构，介绍常用的旋涡发生体以及转换器的组成及相应的检测方法。【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人！第3章 涡街流量计信号处理系统的硬件设计3.1 系统硬件电路整体设计涡街流量计信号处理系统主要由模拟信号预处理电路，以MSP430 为核心的控制电路和以 DSP 为核心的数字信号处理电路三个部分组成，系统整体结构框图，如图 3-1 所示。完成数据采集、传输与处理、结果显示是系统设计中主要实现的目标。图 3-1 系统整体结构3.2 模拟信号的处理电路3.2.1 压电检测元件等效电路压电元件是一种典型的力敏元件，它以电介质的压电效应为基础，在外力的作用下，在电介质的表面产生电荷，从而实现非电量测量。当受到经过涡街发生体的漩涡产生的差压后，压电检测元件受力产生电荷量。涡街信号检测的压电检测元件应用正压电效应，即当压电检测元件受到外力作用时，在其相应的表面会产生电荷。当压电检出器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电式信号检出器看作一个静【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人！电发生器，也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其电容如果用导线将压电式信号检出器和测量仪器连接时，则应考虑连线的等效电容、前置放大器的输入电阻、输入电容。图3-2给出了压电式信号检出器完整的等效电路。压电元件的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证信号检出器和测试系统有一定的低频或准静态响应，测试系统则应有较大的时间常数，即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则压电检出器的信号电荷将通过输入电路泄漏，产生测量误差。在测量电路中选用前置放大器的两个作用是：把压电元件的高输出阻抗变换为低阻抗输出和放大压电式检出器的弱信号。本课题中的涡街流量计选用的是电荷放大器作为前置放大器，它的输出电压与输入电荷成正比。图 3-2 压电式信号检出器完整等效电路 图中，Ca元件的固有电容； Cc前置放大器输入电容； Ci连线电容； Ri前置放大器输入电阻； Ra元件的漏电阻。3.2.2 电荷放大器电荷信号经过压电式信号检出器专用的一种前置放大器电荷放大器的转换，输入的电荷量转换为电压量，该电压量即为后续进行处理的信号，其值正比于输入电荷量。电荷放大器的任务是将压电式信号检出器的电荷信号转换并放大为电压信号，由于压电式信号检出器输出的电信号是很微弱的动态电荷信号，且检出器自身有很大内阻(几十兆欧级)，输出能量很小，因此需要放大检出器输出的微弱电信号，同时将检出器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，电荷放大器就适用于这种情况。图 3-3 电荷放大器原理图图中： C1压电元件的静态电容；R2压电元件的绝缘电阻； C4反馈电容； R1反馈电阻。图3-3的电荷放大器中，R1为匹配电阻，为了与传感器的阻抗匹配，一般为1020兆欧；C2与C3作为输入电容；C4与C5为电荷放大器的反馈电容；R1与R3为电荷放大器的直流反馈电阻，一般为兆欧级，起到稳定放大器直流工作点的作用；由于是两路信号输入，此时电荷放大器也有差分放大的作用，输出为两输入电荷信号的差分电压值。当信号频率不满足时，输出电压为： (3-1) 当信号频率时，可简化输出电压为： (3-2)由式(3-1)和(3-2)可见当反馈电容和电阻确定后，电荷放大器幅频特性近似于一个高通滤波器，反馈电容和电阻的选择要兼顾信号放大倍数和当前信号频带的要求。3.2.3 低通滤波器对于应力式涡街流量计，由于压电检测元件灵敏度较高，对力和加速度的作用相当敏感，因此流体流动噪声、管道振动噪声、以及电磁干扰都会随着涡街信号进入到压电传感器中，然后送至前置放大电路，这些干扰信号同时也被放大，如果不对这些信号进行处理，就会引起很大的测量误差除上述的干扰噪声外，压电晶体的固有振荡噪声也是一种很强的干扰信号。而由于受到流体自身性质的限制，流量计所测的有效频率信号是不超过400 Hz的低频信号，因而要滤去高频信号。图 3-4 低通滤波器3.2.4 施密特整形电路信号经过放大、滤波以后分成两路:一路直接送到 MSP430F149的 A/D 转换单元，以便后面的 FFT 谱分析，计算信号频率；另一路送到整形电路，将按正弦规律变化的交变的电压信号转换成频率相等的脉冲信号，以便微处理器对信号频率进行预判断，涡街流量计常采用施密特触发器作整形电路。施密特触发器输入高低门槛电压不同，对信号的小范围波动有良好的滤除作用，因此在将涡街信号整形成方波时能将残余噪声滤掉。图 3-5 施密特整形电路原理图3.2.5 模拟信号处理总电路及仿真用Multisim软件进行仿真，其中用信号发生器代替电荷源，分别输入100Hz和500Hz的正弦波输出波形如图3-7所示。图3-6 模拟信号处理电路(a)100Hz的仿真图(b)500Hz的仿真图图 3-7Multisim仿真图因为本文所测得的信号应在400Hz以内，所以信号通过电荷放大电路、低通滤波器、施密特整形电路后，有效信号被整形为方波，高频信号被过滤掉，用Multisim软件仿真只是粗略的模拟一下，当输入100Hz有效信号时示波器中出现方波，当输入500Hz无效信号时示波器中无波形。3.3 基于DSP的信号处理电路3.3.1 DSP选型DSP 是数字信号处理器(Digital Signal Processor)的简称 DSP 芯片的主要功能是完成通用数字信号处理任务。DSP 芯片的总线结构一般说来都具有实现程序与数据分离的功能，实行多级流水线操作，并拥有可在单周期内完成乘法的硬件乘法器以及一套完整的指令集以适应数字信号处理的需要。DSP 芯片小巧灵活，运行稳定可靠，具有很强的处理精度和良好的抗干扰能力，在大规模集成和嵌入式实时信号处理等方面具有良好表现。DSP芯片有众多的供应商，其中有很多大型的知名公司都在参与市场竞争。现阶段，整体市场近50%的份额被 TI 公司所占据，该公司生产的 DSP 芯片在我国也被普遍采用。其DSP 产品大致可分为 C2000、C5000 以及 C6000 三大系列。根据各系列特点和功能不同，应用领域和范围也有所不同。其中包含了FLASH 和事件管理等模块的C2000 系列主要应用于控制领域；在无线通信领域广泛应用的 C5000 系列属于低功耗系列；C6000 系列的主要优势在于对音频和图像的超强处理能力，属于 TI公司的高端产品。要对 DSP 选型时考虑的根本出发点有以下三个方面：其一，要考虑该型号的实际功率损耗问题；其二，要考虑软件是否容易操作；其三，要考虑线路板制作及相关元器件焊接问题。综合以上三个方面的考虑TI 公司生产的 DSP 成为最终选择，现将其芯片特性介绍如下20 ：(1) 为方便 DSP 与外部器件通讯，完成自身程序加载， TMS320VC5416设有 8/16 位主机接口(Host Port Interface 简称 HPI )；(2) 功耗极低(0.54Mw/MIPS)，并有 IDLE1、IDLE2、IDLE3 三种低功耗模式可供选择；(3) 拥有 128K RAM，其中 DRAM (Dual-Access Program/Data RAM)SRAM(Single-Access Program/Data RAM)各占 64K；(4) 具有 4 条地址、3 条数据总线和 1 条程序总线的高级多总线结构；(5) 采用引脚无外弯封装方式更便于芯片焊接，使电路设计与调试变得简单易行。3.3.2 信号处理电路组成信号处理电路的设计是以数字信号处理器 DSP 为核心外接程序所需要的各种接口和功能模块的过程，设计的重点是保证各部分发挥功能、协调运行21，结构如图3-8所示。图3-8 DSP实现信号处理图各部分电路如下：(1) 本文所选用的单片机 MSP430F149