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斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统

应用声学 2024年第3期43卷 608-616页

作者：查柯丞李晨明曹自平南京邮电大学通信与信息工程学院南京210000 军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所北京100091

跨金属无线传输是超声波通信的重要应用场景之一。实际应用中超声波在金属/超声波换能器界面处因反射而造成回波干扰是这类通信系统的天然缺陷。尽管利用回声消除技术能一定程度地克服回波干扰,但这需要调用大量电路硬件或计算资源。该... 详细信息

跨金属无线传输是超声波通信的重要应用场景之一。实际应用中超声波在金属/超声波换能器界面处因反射而造成回波干扰是这类通信系统的天然缺陷。尽管利用回声消除技术能一定程度地克服回波干扰,但这需要调用大量电路硬件或计算资源。该文在超声波跨金属厚壁通信系统中摒弃传统的直射式探头而选用入射角为45◦的斜射式探头作为超声波发射和接收换能器,由于斜射式探头偏转了超声波在金属信道内的反射路径,从而大幅降低换能器接收到的回波。在不进行回波消除的前提下,以STM32为主控芯片和自制信号调理电路搭建了一套斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统,同时将之与选用直射式探头作为超声波换能器的通信系统进行对比验证。研究表明,在接收信噪比方面斜射式系统(19.52 dB)远优于直射式系统(9.24 dB),在穿透60 mm的厚铝板时系统实时通信速率达到1.2 Mbit/s,并可实现实时声频传输。

关键词：超声波通信超声波换能器金属信道声频无线传输

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斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统

应用声学 2023年

作者：查柯丞李晨明曹自平军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所南京邮电大学通信与信息工程学院

跨金属无线传输是超声波通信的重要应用场景之一。实际应用中超声波在金属/超声波换能器界面处因反射而造成回波干扰是这类通信系统的天然缺陷。尽管利用回声消除技术能一定程度地克服回波干扰，但这需要调用大量电路硬件或计算资源。... 详细信息

跨金属无线传输是超声波通信的重要应用场景之一。实际应用中超声波在金属/超声波换能器界面处因反射而造成回波干扰是这类通信系统的天然缺陷。尽管利用回声消除技术能一定程度地克服回波干扰，但这需要调用大量电路硬件或计算资源。该文在超声波跨金属厚壁通信系统中摒弃传统的直射式探头而选用入射角为45°的斜射式探头作为超声波发射和接收换能器，由于斜射式探头偏转了超声波在金属信道内的反射路径，从而大幅降低换能器接收到的回波。在不进行回波消除的前提下，以STM32为主控芯片和自制信号调理电路搭建了一套斜射式超声波跨金属厚壁无线通信系统，同时将之与选用直射式探头作为超声波换能器的通信系统进行对比验证。研究表明，在接收信噪比方面斜射式系统(19.52 dB)远优于直射式系统(9.24 dB)，在穿透60 mm的厚铝板时系统实时通信速率达到1.2 Mbit/s，并可实现实时声频传输。

关键词：超声波通信超声波换能器金属信道声频无线传输

超声波流量计的压电换能器动态性能一致性研究

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应用声学 2023年

作者：张丽稳杨喜良张兴嵇闯齐浩宿彬张凯中国计量大学计量测试工程学院国家管网集团科学技术研究总院分公司

超声流量计的关键组成部分是压电换能器，其性能指标决定流量计的计量准确性和稳定性。针对没有关于换能器匹配性技术指标的规范与标准这一问题，提出一种基于动态时间规整的换能器一致性评估方法，并进行快速配对研究。该方法通过回波... 详细信息

超声流量计的关键组成部分是压电换能器，其性能指标决定流量计的计量准确性和稳定性。针对没有关于换能器匹配性技术指标的规范与标准这一问题，提出一种基于动态时间规整的换能器一致性评估方法，并进行快速配对研究。该方法通过回波信号时间序列的规整路径距离，进行换能器动态性能一致性评估，可以高效地实现换能器动态特性分析。水流量测量实验结果表明：通过动态时间规整算法计算得出的规整路径距离越小，配对的换能器一致性越高，零流量时的顺逆流传播时间差最大可减小到0.3 ns，零流量读数小于±0.01 m/s，小流量重复性优于0.2%，满足1.5级精度标准，验证了该方法的可行性，满足了实际工程应用的需要。

关键词：超声波换能器动态时间规整算法规整路径距离一致性研究流量计量

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泥浆管道的多普勒超声流量计实验

实验室研究与探索 2022年第9期41卷 26-30,195页

作者：李国林张泽成张雪娜赵浩华陈权中国石油大学(华东)控制科学与工程学院山东青岛266580

为了监控泥浆管道是否发生泄露,基于多普勒效应设计了一种应用于泥浆管道的可多频率复用的超声波流量计系统。首先进行0.5和1 MHz的超声波换能器设计,完成相应的硬件电路绘制和软件程序编写,研制出流量计样机,最后在实验室进行了气液两... 详细信息

为了监控泥浆管道是否发生泄露,基于多普勒效应设计了一种应用于泥浆管道的可多频率复用的超声波流量计系统。首先进行0.5和1 MHz的超声波换能器设计,完成相应的硬件电路绘制和软件程序编写,研制出流量计样机,最后在实验室进行了气液两相流模拟实验。实验结果表明:慢流速下(0.83~0.89 m/s)实测频差与综合流速的线性相关系数为0.9935;快流速下(1.86~1.94 m/s)线性相关系数为0.9951,线性度良好且频差分辨率可达1 Hz;40 min的同一流速长期测量,检测标准差为5.6704,稳定性良好。

关键词：泥浆管道流量计超声波换能器多普勒效应

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超声波换能器性能测试仪的设计与实现

超声波换能器性能测试仪的设计与实现

作者：侯春雷哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超声波流量计具有可靠性高、安装维修简便、小流量段灵敏度高等特点,在流体流量计量中被广泛应用。超声波换能器具有实现电能与机械能相互转换的功能,是超声波流量计的关键组成部分,超声波换能器的性能指标以及用于流体流量检测的一对... 详细信息

超声波流量计具有可靠性高、安装维修简便、小流量段灵敏度高等特点,在流体流量计量中被广泛应用。超声波换能器具有实现电能与机械能相互转换的功能,是超声波流量计的关键组成部分,超声波换能器的性能指标以及用于流体流量检测的一对换能器的性能参数是否匹配,直接影响流体流量计量的精确度。目前国内对于超声波换能器的性能评价缺乏统一的标准,流量计企业普遍忽视了对换能器参数配对的研究。因此,对超声波换能器性能测试的研究具有重要意义。针对目前超声波换能器性能测试中专用测试仪器成本高,分项测试的指标单一、测试繁琐、效率低的问题,本文基于超声波流量计用超声波换能器的性能测试,设计一个成本低、多参数测试的超声波换能器性能测试仪。提出测试换能器的谐振频率与反谐振频率、谐振阻抗与反谐振阻抗、发射与接收信号的幅值三大项测试内容,旨在对超声波换能器的综合性能进行评定,为评价超声波换能器的技术指标是否合格,以及两个换能器是否适用于同一台流量计提供较为科学合理的依据。本文以FPGA为主控制器,通过触摸屏控制选择测试项目并显示测试结果。FPGA作为激励信号发生器,采用先倍频后分频的方式产生各测试项所需的激励信号,响应信号经过信号调理电路后采用高速A/D转换器进行模数转换,用Verilog HDL实现对数据的采集与预处理。扫频激励信号下,通过比较不同频率激励信号下的采样数据得到换能器的谐振频率与反谐振频率,并在触摸屏上直观的显示频率特性曲线。针对替代法测试换能器的谐振阻抗与反谐振阻抗时存在人工读取、记录数据的缺点,引入恒流源电路,实现等效阻抗的自动计算和存储。针对现有幅值测试仪激励信号单一、需要人工调节示波器并读数的问题,本文实现了激励信号可任意设定,并通过时序控制分别对发射信号与接收信号进行采样,将幅值信息直接显示在触摸屏上。使用Verilog HDL将UART的核心功能集成,采用串口通信将测试数据发送到上位机,通过上位机对数据进行处理并配对。最后,对多个厂家的换能器进行测试实验,将测试数据与专用测试仪器测得的数据进行对比。对比结果表明测试仪的精确度满足设计需求,能够实现对超声波换能器的性能评价。

关键词：超声波换能器性能测试 FPGA 触摸屏

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超精密超声波测距装置设计

信阳师范学院学报（自然科学版） 2022年第3期35卷 469-474页

作者：王鹏张涛龚克张昆信阳师范学院物理电子工程学院河南信阳464000 中国空空导弹研究院河南洛阳471009

采用特殊的3段式发射脉冲串以在回波信号中形成明显凹坑,设计了一种超精密超声波测距装置,并提出了一种适合嵌入式系统实时处理的包络提取简化算法,通过寻找回波包络的凹坑位置实现超声波飞行时间的准确测量,利用ARM+FPGA架构的SoC作为... 详细信息

采用特殊的3段式发射脉冲串以在回波信号中形成明显凹坑,设计了一种超精密超声波测距装置,并提出了一种适合嵌入式系统实时处理的包络提取简化算法,通过寻找回波包络的凹坑位置实现超声波飞行时间的准确测量,利用ARM+FPGA架构的SoC作为处理核心完成了样机研发。测试结果表明:在500 mm量程下典型测量误差小于0.1 mm,且在-30~65℃范围内测量精度保持稳定。

关键词：超声波换能器精密测距包络提取片上集成系统

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超声波换能器驱动电源的研究综述

电子设计工程 2020年第9期28卷 135-139页

作者：秦佳才韩翔肖光宗张斌国防科技大学前沿交叉学科学院湖南长沙410073

当前超声精密工程应用领域不断向纵深发展,迫切要求国内相关研究人员对超声波换能器驱动电源有更进一步的认识,以便针对具体技术难点和待攻方向研制出高性能超声波电源。本文基于超声波换能器驱动电源的工作原理,主要阐述了近几十年来... 详细信息

当前超声精密工程应用领域不断向纵深发展,迫切要求国内相关研究人员对超声波换能器驱动电源有更进一步的认识,以便针对具体技术难点和待攻方向研制出高性能超声波电源。本文基于超声波换能器驱动电源的工作原理,主要阐述了近几十年来该领域的发展历程及其关键技术的分析。通过模拟控制系统和数字控制系统特点的相互对比,可以表明数字控制技术在超声波电源控制系统中占有绝对优势,并且需要依据不同应用场合的特点来选择不同的控制理论和控制策略;另外,在设计超声波电源系统的过程中,必须要重点注意其中部分关键技术问题的研究,以利于该领域在实际生产生活中获得更大的应用价值。

关键词：超声波电源超声波换能器数字控制系统高性能

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超声波换能器驱动及前端接收电路研究

超声波换能器驱动及前端接收电路研究

作者：范思航西安石油大学

学位级别：硕士

超声检测是应用较为广泛的一种技术，在流体测量、医学检测中，都有着独特的优势，对于流体测量，超声波有着不会破坏流体的流场，没有压力损失，不与流体直接接触等优点。目前，超声波多普勒技术已经成为流量检测的一种重要手段，但应... 详细信息

超声检测是应用较为广泛的一种技术，在流体测量、医学检测中，都有着独特的优势，对于流体测量，超声波有着不会破坏流体的流场，没有压力损失，不与流体直接接触等优点。目前，超声波多普勒技术已经成为流量检测的一种重要手段，但应用于两相流测量中时，仍涉及到多方面的技术问题，本课主要从以下几个方面进行研究：在理论方面，论述了多普勒原理以及利用多普勒原理进行流量测量的多普勒流量计的原理，分析了在使用多普勒流量计中，温度、衰减等因素影响，在此基础上，研究超声波多普勒换能器的材料特性和性能指标，设计换能器结构，制作适用于多普勒流量计系统的超声波换能器。在硬件电路设计方面，这其中包括根据换能器的性能参数，设计匹配的驱动电路，添加测量超声波换能器工作环境温度的硬件电路，对测量结果进行温度补偿，设计具有自动增益控制的超声波接收电路，为后续数据采集电路提供良好的信号。通过这些方法，进一步提高超声波流量计的实用性、稳定性以及测量精度等方面。

关键词：超声波流量计超声波换能器自动增益温度补偿

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高频宽带多普勒海流计的设计与研究

高频宽带多普勒海流计的设计与研究

作者：解鹏飞华北电力大学

学位级别：硕士

声学多普勒海流计是现代测量海洋水文数据的常用仪器,主要测量河流及海洋的流速和方向。多普勒海流计以声学多普勒效应为理论基础,利用复自相关算法对回波信号进行多普勒频移计算,以计算出当前海流的流速和方向。随着我国智能测量设备... 详细信息

声学多普勒海流计是现代测量海洋水文数据的常用仪器,主要测量河流及海洋的流速和方向。多普勒海流计以声学多普勒效应为理论基础,利用复自相关算法对回波信号进行多普勒频移计算,以计算出当前海流的流速和方向。随着我国智能测量设备的大力发展,声学多普勒海流计的相关技术也在逐渐完善。相比较于国际水平,我国仍有相当大的进步空间,如测量精度,设备稳定性及运算速度仍可继续提高。为解决上述问题,本文提出一种高频宽带多普勒海流计设计方案。具体工作如下:(1)论文对ADCP的多普勒测流原理、换能器结构、分层原理等基本理论和方法进行了研究,并通过对窄带非相关测流方法、窄带相关测流方法、宽带测流方法三种测流方式的比较,分析出宽带测流方式的优点。(2)高频宽带多普勒海流计的硬件电路分为角度测量电路及温深测量电路、数字控制电路、功率发射电路、模拟接收电路。角度测量电路通过对设备当前姿态的解算用来修正流速数据;温深测量电路对海水的温度和设备当前所处的水深进行测量;温度测量用来修正声速。数字控制电路由主控电路、串口通信电路组成。主控电路为整个硬件系统提供驱动信号,并进行核心计算;串口通信采用RS485总线在上位机与多普勒海流计之间进行通信。功率发射电路由M序列调制电路、半桥大功率驱动电路、变压器LC谐振电路组成。M序列调制信号由CPLD生成,再通过半桥功率放大电路进行功率放大,最后由LC谐振匹配网络与超声波换能器进行匹配,以达到最大功率输出。模拟接收电路由LC选频网络、中放电路、正交解调电路、低通滤波电路组成。LC选频网络及中放电路为接收信号的预处理部分,之后通过正交解调和低通滤波,得到编码信号的实部与虚部。(3)软件部分主要为在MCU中编写各个硬件模块驱动代码,以及自相关算法的实现,并计算得到水域中各层的多普勒频偏,从而得到各层流速数据。(4)基于软硬件平台,对样机进行了现场实验和数据对比,实验结果表明,宽带多普勒海流计相比较于窄带多普勒流速剖面仪,提高了测量精度、效率和稳定性。达到了课题预期目标。

关键词：多普勒海流计复自相关多普勒效应伪随机序列调制超声波换能器