【正文】 課題的研究對于環(huán)保事業(yè)來說意義重大。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 多普勒超聲波流量計(jì)測量原理 多普勒效應(yīng) 由于觀察者或者波源的運(yùn)動引起的觀測頻率和波源的頻率不同的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，這是多普勒在 1824 年發(fā)現(xiàn)的。后來在現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。 ① 聲源相對于靜止的觀察者運(yùn)動情況下推導(dǎo)出的多普勒公式： 圖 21 聲源運(yùn)動，觀察者相對靜止 如上圖 211， P為觀察者，處于靜止?fàn)顟B(tài)，振動頻率為 f 的聲源 Q 以速度u沿著 X 軸正向運(yùn)動。設(shè)聲源到 R1時(shí)的聲振動要經(jīng)過 t1時(shí)間后被觀察者接收到，經(jīng)過短時(shí)間 △ t 聲源到達(dá) R2， 這里的聲振動需要時(shí)間 t2后觀察者收到信號。假如設(shè)聲速為 c,R1P=τ 1 ,R2P=τ 2 ,那么就有 : t1=τ 1/c t2=τ 2/c ， （ 21） 從 R2 向 R1P做垂直線相交 R2P于點(diǎn) A,因?yàn)樗〉臅r(shí)間 △ t 很短，所以有： τ 1 τ 2=R1A=u△ tcosθ , (22） 其中θ為τ 1與 X軸的夾角。 設(shè) △ t180。是聲源從 R1點(diǎn)運(yùn)動到 R2的過程中接收者收到的聲振動持續(xù)的時(shí)間，那么在時(shí)間軸上下式成立： △ t180。=△ tt1+t2 , （ 23） 由（ 21），（ 22），（ 23）可得到： △ t180。=△ t（ τ 1τ 2)/c=(cu△ tcosθ )△ t/c, (24) 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 所以觀察者在 △ t180。時(shí)間里接 收到的聲源的總振動次數(shù)為 f△ t，即由頻率定義和式（ 24）可以得到觀察者接收到的聲音的頻率 f180。為 : f180。= ttf??? = ?coscuc? f (25) 有以下情況： a. 當(dāng) △ t→ 0，那么 R1R2→ 0，式子 (25)就是聲源運(yùn)動到 R1 時(shí)，觀 察者接收到的瞬時(shí)頻率 f180。，隨著 θ 角的變化而變化。即隨著聲源在 x軸的不同點(diǎn)、不同時(shí)刻而變化。 b. 當(dāng) θ =0 時(shí)，聲源向著觀察者運(yùn)動，這個(gè)時(shí)候觀察者接收到的頻率為 : f180。= uc?c f﹥ f c. 當(dāng) θ =π時(shí)，聲源背向觀察者運(yùn)動，這個(gè)時(shí)候觀察者接收到的頻率為： f180。= ucc? f＜ f ② 聲源相對于運(yùn)動的觀察者靜止情況下推導(dǎo)出的多普勒公式： 如下圖 212， Q為聲源，處于靜止?fàn)顟B(tài)，觀察者以速度 u 沿著 X軸正方向運(yùn)動。聲源發(fā)出的振動經(jīng)過 t1時(shí)間后可以傳播到 S1點(diǎn)處，經(jīng)過 t2時(shí)間可以傳播到 S2點(diǎn)處。根據(jù)聲源產(chǎn)生的振動在空間上的傳播特性，觀察者運(yùn)動到 S1點(diǎn)處時(shí)聲源所接收到的聲波應(yīng)是觀察者運(yùn)動到 S180。處聲源產(chǎn)生的聲振動。同理，觀察者運(yùn)動到處所接收到的波影視觀察者運(yùn)行到 S處聲源所產(chǎn)生的聲振動。 圖 22 觀察者運(yùn)動，聲源相對靜止 假設(shè)觀察者從 S1 經(jīng)過 △ t 時(shí)間到達(dá) S2 點(diǎn)處，與上述情況研究方法類似，從上西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 212有： t1=τ1/c t2=τ2/c （ 26） 此時(shí)： △ t180。=△ t+t1t2 （ 27） 因?yàn)?△ t很小，有 :τ1=τut1cosθ τ2=τu(t1+△ t)cosθ (28) 則有： τ1τ2 =u△ tcosθ (29) 從式（ 26），（ 27），（ 28），（ 27），可以得到： △ t180。=ct? ? ??ucosc? （ 210） 由于觀察者在 △ t 時(shí)間內(nèi)接收到的聲源的振動次數(shù)為 f△ t180。,那么觀察者所接收到的聲波頻率為： f180。= ttf??? = fcuc ?cos? （ 211） 有以下情況： a. 當(dāng) △ t180?！?0 時(shí)， S180。S=0，式子（ 211）為觀察者在運(yùn)動過程中接到的瞬時(shí)頻率，這個(gè)瞬時(shí)頻率隨著 θ 的改變而改變，即瞬時(shí)頻率隨著觀察者所處的不同位置，不同時(shí)刻而發(fā)生改變。 b. 當(dāng) θ=0 時(shí)，觀察者沿著聲源運(yùn)動，這時(shí)觀察者接收到的頻率是 : f180。= fcuc? ﹥ f c. 當(dāng) θ=π時(shí)，觀察者背向聲源運(yùn)動，這時(shí)觀察者接收到的頻率是： f180。= fcuc? ＜ f 以上就是多普勒效應(yīng)的解釋和公式推導(dǎo)。 多普勒超聲波流量計(jì)的工作原理以及模型 工作原理 多普勒超聲波流量計(jì)是以物理學(xué)中多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的測量原理，依據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)。當(dāng)觀察者和生源之間有相對的運(yùn)動時(shí)，觀察者 感受到的聲波頻率將不同于生源所發(fā)出的頻率，這是由于相對運(yùn)動而引起頻率變化與兩個(gè)物體的相對速度成正比關(guān)系。 在多普勒超聲波流量計(jì)的測量方法中，超聲波發(fā)射器作為一個(gè)固定聲源，隨著流體一起在運(yùn)動的固體顆粒有與聲源有相對運(yùn)動的“觀察者”的作用。當(dāng)超聲西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 波發(fā)射器所發(fā)射的固定頻率的超聲波入射到流體中的固體顆粒上，被反射到接收器上的超聲波頻率就會與超聲波發(fā)射頻率兩者之間就有一個(gè)差值，這個(gè)頻率差值就是因?yàn)榱黧w中的固體顆粒的運(yùn)動而產(chǎn)生的多普勒頻移。這是因?yàn)檫@個(gè)頻移量與流體的流速成正比關(guān)系，因此測量這個(gè)頻率差值就可以得出流體的流 速，從而求出流體的流量。 因此，多普勒超聲波流量計(jì)測量的一個(gè)必要條件是：被測流體介質(zhì)應(yīng)該具有一定數(shù)量的可以反射超聲波的固體顆?；蛘邭馀莸葍上嘟橘|(zhì)。 多普勒超聲波流量計(jì)的測量模型 多普勒超聲波流量計(jì)常用的模型如下： 圖 23 多普勒超聲波流量計(jì)的模型 計(jì)算流量的公示是： 其中， u是被測流體的流速， c是在被測流體中超聲波的傳播速度， f1為超聲波探頭發(fā)射的超聲波頻率， f2 是超聲波探頭收到的超聲波的頻率。 θ 是超聲波波束與被測流體之間的夾角。因此，只要知道入射超聲波 與接收到的反射回來的超聲波的超聲波頻率差就可以計(jì)算出流體的流速從而可以求出被測流體的流量。 超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)硬件總體方案 整個(gè)多普勒超聲波流量計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以分成兩部分：超聲波發(fā)射部分、接收探頭以及調(diào)理電路的設(shè)計(jì)以及數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中探頭主要是用來完成超聲波的發(fā)射和接收工作。探頭接收到發(fā)射回來的超聲波經(jīng)過帶通濾波器解調(diào)放大以后，再通過低通放大電路，最后輸出具有流體流速信息的低頻率模擬信號，然后提供給后續(xù)的數(shù)字電路系統(tǒng)進(jìn)行處理；數(shù)字電路系統(tǒng)部分是以 DSP 為 核? ?211c o s2u fffc ?? ?西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 心的器件，輔助其他外圍電路工作。數(shù)字電路系統(tǒng)部分是整個(gè)超聲波流量計(jì)的核心部分，它負(fù)責(zé)整個(gè)超聲波流量計(jì)的控制和數(shù)字信號處理的工作，整個(gè)系統(tǒng)框圖如下： 圖 24 超聲波多普勒流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)框圖 由上圖 可知，此系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)大的模塊，第一個(gè)大的模塊是模擬系統(tǒng)部分，主要包含流量計(jì)的超聲波發(fā)射器和接收器、帶通濾波以及解調(diào)放大電路、低通濾波器和信號放大器。第二大模塊是數(shù)字電路系統(tǒng)模塊，這個(gè)模塊以 STM32F103CBT6 為核心部件，完成對信號的 采樣、 FFT 計(jì)算，以及 A/D轉(zhuǎn)換等操作。外加 LCD 液晶顯示器、 USART 接口等 外圍電路。 整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是：超聲波流量計(jì)通過一定的入射角度向被測流體發(fā)射超聲波信號，流量計(jì)的接收器將接收到的超聲波反射波信號轉(zhuǎn)換成為電信號，經(jīng)過窄帶濾波器濾波后再進(jìn)行信號放大，完了再經(jīng)過解調(diào)電路解調(diào)出頻偏信號。這個(gè)信號再通過系統(tǒng)的低通濾波器濾除掉高頻噪聲，通過放大電路進(jìn)行信號的放大后，送到模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 (A/D)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣的數(shù)據(jù)在定時(shí)中斷服務(wù)程序中被送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 CPU 完成對所收到的數(shù)字序列的處理，可以得到信 號的頻偏值。再依據(jù)流量計(jì)儀表參數(shù)對流量、流速、累計(jì)流量等需要的數(shù)據(jù)量進(jìn)行計(jì)算，然后這些計(jì)算量會被送到指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域，給 LCD 顯示、模擬量的輸出等使用。 STM32F103CBT6 STM32F103CBT6 USART 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 超聲波流量計(jì)信號處理部分的電路介紹 超聲波流量計(jì)信號的處理是通過 STM32F103CBT6 芯片來對從超聲波接收器輸入的信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、 FFT 以及采樣等的處理，最終得到多普勒頻移來計(jì)算被測流體的流速。 圖 25 超聲波流量計(jì) 信號處理的主要電路 ? STM32F103CBT6 芯片主要是用來完成對信號的 A/D 轉(zhuǎn)換， FFT 運(yùn)算，以及信號的采樣。下面介紹 STM32F103CBT6 芯片的信息： 圖 26 STM32F103CBT6芯片封裝 圖 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 上圖是 STM32F103CBT6 芯片的一個(gè)封裝圖。它是 ST 公司給予 ARM 最新CortexM3 架構(gòu)內(nèi)核的 32 位處理器產(chǎn)品。內(nèi)置 128K 的 Flash、 20K 的 RAM、 12位的 AD、 4 個(gè) 16 位定時(shí)器和 3 路 USART 通訊口等多種資源，時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 72MHz。它的內(nèi)核是 ARM32 位 CortexM3 CPU， 72MHz， 90DMIPS，,單周期的乘法和硬件除法，通用增強(qiáng)型，內(nèi)嵌中斷控制器有 43個(gè)可以屏蔽的中斷通道。采用尾鏈技術(shù)的中斷處理（降至 6 個(gè) CPU周期）。此芯片主要是對于超聲波流量計(jì)接收器傳過來的信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換及采樣、 FFT 運(yùn)算，以及通過接口把最終處理的信號傳送到 LED 驅(qū)動裝置，使其最終顯示在液晶顯示器上面。 ? USART:(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) 通用同步 /異步串行接收 /發(fā)送器 。 USART 是一個(gè)全雙工通用同步 /異步串行收發(fā)模塊，該接口是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備 。 圖 27 串口輸出圖 ? 主要特點(diǎn)： （ 1） 全雙工操作（相互獨(dú)立的接收數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器）； （ 2） 支持同步和異步操作； （ 3） 同步操作時(shí)，可主機(jī)時(shí)鐘同步，也可從機(jī)時(shí)鐘同步； （ 4） 獨(dú)立的高精度波特率發(fā)生器，不占用定時(shí) /計(jì)數(shù)器； （ 5） 支持 8和 9位數(shù)據(jù)位， 1或 2位停止位的串行數(shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)； （ 6） 由硬件支持的奇偶校驗(yàn)位發(fā)生和檢驗(yàn)； （ 7） 數(shù)據(jù)溢出檢測； （ 8） 幀錯(cuò)誤檢測； （ 9） 包括錯(cuò)誤起使位的檢測噪聲濾波器和數(shù)字低通濾波器； （ 10） 三個(gè)完全獨(dú)立的中斷， TX發(fā)送完成、 TX發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空、 RX 接收完成； （ 11） 支持多機(jī)通信模式； （ 12） 支持倍速異步通信模式。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 ? 結(jié)構(gòu)組成： USART 收發(fā)模塊一般分為三大部分：時(shí)鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器?？刂萍拇嫫鳛樗械哪K共享。 時(shí)鐘發(fā)生器由同步邏輯電路（在同步從模式下由外部時(shí)鐘輸入驅(qū)動）和波特率發(fā)生 器組成。發(fā)送時(shí)鐘引腳 XCK 僅用于同步發(fā)送模式下， 發(fā)送器部分由一個(gè)單獨(dú)的寫入緩沖器（發(fā)送 UDR）、一個(gè)串行移位寄存器、校驗(yàn)位