超声波换能器性能测试系统的设计 硕士毕业论文.docx

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1、超声波换能器性能测试系统的设计Design of a Measuring System forUltrasonic Transducers Performance独创性声明本人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取得的研究成果。尽我所知，除了文中已经注明引用和致谢的内容外，论文中不包含本人和其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：时间：年 月 日关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文

2、的规定。本人同意中国农业大学有权保存及向国家有关部门和机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人同意中国农业大学将本学位论文的全部或部分内容授权汇编录入中国博士学位论文全文数据库或中国优秀硕士学位论文全文数据库进行出版，并享受相关权益。（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）学位论文作者签名:时间：年 月 日时间:导师签名:中国农业大学硕士学位论文摘要摘要超声波换能器是超声流量计的关键器件，广泛应用于各类超声设备中。在实际应用中，为了得到高的灵敏度及效率，需要使换能器稳定工作在最佳状态。本文主要以一种用于超声波燃气表的压电换能器为研究对象，设计了一套以ARM处理器为核心的超声波换能

3、器性能测试系统，该系统能够跟踪测试换能器的最佳工作频率等参数。本文所进行的研究工作内容如下：（1）首先，介绍了超声波换能器的主要性能指标、频率跟踪方式以及应用于超声波换能器性能测试系统的数字化控制技术一单片机、DSP、FPGA,选择用ARM单片机控制来实现系统的功能。结合具体测试要求确定了系统机械结构的方案，并设计了机械系统的各个零件，运用CREO建立机械系统三维实体装配模型。（2）其次，根据控制系统要求选择主芯片类型，确定控制系统硬件组成结构并进行设计,主要包括时钟电路、电源电路、调试电路、换能器驱动电路、超声回波接收放大电路和LCD电路。在IAR Embedded Workbench环境下

4、完成软件程序设计与调试。主要包括以下儿个模块的程序设计：可编程控制晶振模块、定时器模块、实时计数器模块、运算放大器模块、A/D转换模块以及离散傅里叶变换处理算法。（3）最后，将超声波换能器接入所设计的控制系统进行实验验证，用示波器捕捉一些关键点的信号波形。结合理论分析信号波形表明：该控制系统性能稳定,能够满足测试要求。关键词：超声波换能器，工作频率，ARM,参数测试中国农业大学硕士学位论文AbstractAbstractUltrasonic transducers are widely used in various types of ultrasound equipment and they

5、 are thekey components of ultrasonic flow meter. In practice, transducers need to be working at the optimalstate to obtain high sensitivity and efficiency. In this paper, the research object mainly aimed at apiezoelectric ultrasonic transducer, an embedded system with ARM processor was designed tome

6、asure the performance of ultrasonic transducer, which has the capability to track the optimalfrequency. The major contents and conclusions are as follows:(l)Firstly, the main performance indicators and the methods for frequency tracking of transducerwere introduced. In the ultrasonic transducers9 pc

7、rfbnnance measuring system, there arc three digitalcontrol methods: microcontroller; digital signal processing; field-programmable gate array, and thenselected the ARM microcontroller to realize the overall function of system. Used CREO to design thevarious parts of the mechanical system and builded

8、 the three-dimensional assembly model.(2)Secondly, selected the proper microcontroller and definite the hardware architecture of controlsystem, it included the clock circuit, power circuit, debugging circuit, transducer driving circuitry,amplifier circuit and LCD circuit. The software programs were

9、designed and debugged in IAREmbedded Workbench. It mainly included the programming of following modules: programmablecontrol oscillator module, timer module, real-time counter module, the operational amplifier module,A /D converter module and DFT processing algorithms.(3)Finally, the experiment of t

10、he designed control system which linked the ultrasonic transducerwas carried out. Some meaningful waveforms of the hardware circuits were captured by oscilloscope.The results show that the actual signal waveform consistent with the theoretical, the system can meetthe measuring requirements and work

11、stably.Keywords: Ultrasonic Transducers, Optimal Frequency, ARM, Performance MeasurementII中国农业大学硕士学位论文目录目录第一章绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究现状81.3 研究意义和目标101.4 本文研究内容11第二章系统总体方案设计132.1 超声波换能器测试参数确定132.2 系统设计方案142.3 机械系统设计152.4 系统设计流程172.5 本章小结18第三章控制系统硬件设计193.1 控制器主芯片选择193.2 最小系统电路213.3 外围输入输出电路253.4 本章小结28第

12、四章控制系统软件设计314.1 软件总体设计314.2 LTC6903晶振频率控制模块324.3 发射信号模块344.4 A/D采集信号模块384.5 DFT处理算法424.6 本章小结44第五章实验结果与分析455.1 LTC6903晶振输出信号结果455.2 定时器输出信号结果465.3 发射信号结果475.4 A/D采样信号结果475.5 本章小结48第六章 总结和建议496.1总结4962建议49参考文献51致谢53个人简介55in中国农业大学硕士学位论文第一章绪论11第一草绪论1.1课题研究背景LL1超声波技术超声波是一种机械波”，即机械振动，它能够在各种不同弹性介质中传播，其振动频

13、率在20000Hz以上，超出了人耳的听觉上限。超声波的主要物理特性主要有波动性、束射性、射线性、吸收性、多普勒效应以及空化效应。超声技术是在超声波研究的基础上发展而来的一种高新技术，凭借其频率高、波长短、方向性好、穿透性强等特性广泛应用于工业、农业、医学、军事、航空等领域，主要分为检测超声和功率超声两大类刃。1）检测超声检测超声技术主要包括检验和测量两个方面，超声检验是利用超声波的声学效应进行介质和被测物体表面或内部缺陷的探测；超声测量是利用被测物体以及介质的非声学状态量与超声量之间的关系测定出被测物体或介质某些相关参量。超声检测技术的一般原理如图1-1所示。主控单元接收电路发射电路超声波换能

14、器被测物体图1-1检测超声技术原理图超声检测系统中一般由主控单元、发射电路、接收电路、超声波换能器以及外部显示设备组成，并与上位机通信传递检测数据结果。其中主控单元主要完成超声波的产生、信号处理、存储与传输以及协调各模块运行等任务；超声波换能器是系统的关键元件，负责发射和接收超声波，实现电信号与声信号的相互转换；发射电路和接收电路是主控单元与超声波换能器形成信号传输的桥梁。2）功率超声功率超声是利用超声振动形式的能量使物质的一些物理、化学、和生物特性或状态发生改变，或是加快这种改变过程的一门技术，与检测超声不同，功率超声是利用超声能量对物质进行处理加工。超声波在介质中传播时，会产生力学、热学、

15、化学和生物效应等，这使功率超声技术在工业、农业、医药卫生和环境保护方面得到广泛应用。功率超声技术一般原理如图1-2所示。图1-2功率超声技术原理图高功率超声源为超声设备提供所需的能量，超声波换能器则是将能量转换到超声波中，以便完成对目标物体的处理和加工，二者都是功率超声设备不可或缺的组成部分。无论是在检测超声和功率超声中，超声波换能器都起着至关重要的作用，因此研究超声波换能器对超声技术的应用有着重大意义。1.1.2超声波换能器超声波换能器是一种能量转换器件，它能够在超声频率范围内将电信号转换成声信号或将外界声场中的声信号转换为电信号，也称超声探头。一、超声波换能器分类超声波换能器的种类很多，按照能量转换的机理和利用的换能材料，可大致分为压电换能器和磁致伸缩换能器，下文将介绍这两种换能器。(1)压电换能器压电换能器是利用压电材料的正逆压电效应制成的一种电