【正文】 5) 有以下情況： a. 當(dāng) △ t→ 0，那么 R1R2→ 0，式子 (25)就是聲源運動到 R1 時，觀 察者接收到的瞬時頻率 f180。時間里接 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。=△ tt1+t2 , （ 23） 由（ 21），（ 22），（ 23）可得到： △ t180。 設(shè) △ t180。設(shè)聲源到 R1時的聲振動要經(jīng)過 t1時間后被觀察者接收到，經(jīng)過短時間 △ t 聲源到達 R2， 這里的聲振動需要時間 t2后觀察者收到信號。后來在現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。所以，本課題的研究對于環(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（論文） 3 這是在超聲波流量計領(lǐng)域 的一項領(lǐng)先技術(shù)。這就大大增強了多普勒超聲波流量計對各種信號頻率的分辨能力。 FFT（快速傅里葉變換）譜分析技術(shù)的應(yīng)用，完成了多普勒流量測量的真正意義上的進步。管道的振動也是多普勒流量計測量誤差的一個來源。 課題研究的意義 多普勒超聲波流量計除過具有非接觸式的流量計的一般特點外，它突出的特點有：高的分辨率，對流體流速的變化響應(yīng)比較快；對流體的粘度、溫度、壓力、密度及導(dǎo)電率等多種因素不敏感，沒有零點漂移等問題；重復(fù)性好；價格比較便宜。隨著電子技術(shù)的飛躍發(fā)展 ,鎖時技術(shù)和微處理器應(yīng)用于超聲波流量計之后 ,面貌為之一新 , 性能大大提高 , 應(yīng)用范圍日趨擴大。 正是由于 超聲波流量計 可 以實現(xiàn)非接觸測量 , 特別對于大口徑、腐蝕性介質(zhì)、易爆及帶有強放射性介質(zhì)的測量尤為 優(yōu) 越 。 多普勒超聲波流量計的發(fā)展 在過去的幾十年中多普勒超聲波流量測量技術(shù)得不到發(fā)展，進入到 80年代以后， 隨著能源和環(huán)境等問題的提出 , 在流量測量 領(lǐng) 域內(nèi)許多新的復(fù)雜而困難的課題接踵而至 , 原有儀表在一些特殊復(fù)雜的測量對象中難以適應(yīng)。但是窄聲帶的聲束發(fā)射有接收信號強度較弱的問題。但是同時相應(yīng)的復(fù)雜 度就增加了。時差法是通過測量超聲波順流和逆流傳播時的時間差來計算流速的。目前。 依據(jù)信號檢測原理，超聲波流量計的非接觸測量方法可以分為：多普勒法、傳播速度差法、波動超聲法和波速偏移法等不同類型。 人們對于超聲波流量計的研究已經(jīng)有了數(shù)十年的歷史了，在 20世紀(jì) 50年代末期，超聲波流量計正式由理論研究階段進入了工業(yè)應(yīng)用。 ? 沒有可動部件，無磨損，它的使用壽命長，重量比較輕。 ? 測量的口徑范圍大，一般大小為 ,有的時候可以達到 10m,而且造價與口徑的大小無關(guān)。超聲波流量計就有以下幾個優(yōu)點： ? 它通過非接觸式的測量方法，在管道外壁上安裝換能器，這樣就可以不干擾到流場，無壓力損耗，是一種比較理想的測流體流量流速的儀表。 超聲波流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，壓力損耗小，并且使用方便，所以得到了廣泛的使用。 關(guān)鍵詞 ：多普勒；流量計； FFT；峰值逼近； MATLAB 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） The signal processing of ultrasonic flowmeter Abstract:Ultrasonic Doppler flowmeters are mainly applied to measure flux of sewage or other liquid with solid grain. They are of high resolving power ,and can respond quickly with the variety of ,they are insensitive to the pressure and temperature of now,technique in this field will be improved,so the task is significative not only to automatic measurement but to environment protection. Hardware and software of Ultrasonic Doppler flowmeters are designed in this signal processing is introduced to analyzed Doppler signal,for example ,FFT is used to convert Doppler signal from time domain to frequency domain,and then the algorithm of approaching peak value is put into this,filter software is in Doppler frequency shift is to Doppler effect,velocity and flux can be calculated. This paper investigates Ultrasonic Doppler flowmeter’s signal processing methods through the software of Matlaband analyzses the effects of possible bination of dataprocessing methods. Above all,the new ideas are provided for flowmeter’s software design. Key words: Doppler Flowmeter； FFT； Approaching peak value； MATLAB 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 目 錄 1 緒論 .............................................................. 1 超聲波流量計簡介 ........................................... 1 多普勒超聲波流量計的發(fā)展 ................................... 2 課題研究的意義 ............................................. 2 2 多普勒超聲波流量計測量原理 ....................................... 4 多普勒效應(yīng) ................................................. 4 多普勒超聲波流量計的工作原理以及模型 ....................... 6 工作原理 .............................................. 6 多普勒超聲波流量計的測量模型 .......................... 7 超聲波流量計的系統(tǒng)硬件實現(xiàn) ................................. 7 系統(tǒng)硬件總體方案 ....................................... 7 超聲波流量計信號處理部分的電路介紹 ................... 10 3 超聲波流量計的信號處理 .......................................... 14 超聲波信號處理模塊 ........................................ 14 信號處理模塊涉及到的理論知識 .............................. 14 快速傅里葉變換（ FFT）原理 ............................ 14 低通濾波器 ........................................... 18 采樣頻率的選取 ....................................... 20 4 仿真實現(xiàn) ........................................................ 21 仿真 MATLAB 軟件的介紹 ..................................... 21 基于 MATLAB 中對信號進行處理的流程 ......................... 23 對信號進行濾波 ....................................... 24 基于 MATLAB 對信號進行 FFT ............................ 26 找出相應(yīng)的頻偏值并計算出流體流速 ..................... 27 5 結(jié)論 ............................................................. 29 致謝 ............................................................... 30 參考文獻 ........................................................... 31 附錄 ............................................................... 32 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 緒論 超聲波流量計簡介 頻率高出人耳可以聽到的頻率極限（大小超過 20KHZ 的頻段）的彈性振動，這種振動通過波動的方式在介質(zhì)中的傳播過程就形成了超聲波。具體方法是首先對多普勒頻移信號進行采樣 ,再進行 FFT 變換 ,進而得到該信號的功率譜 ,在功率譜上應(yīng)用峰值頻率的逼近算法 ,加上適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波技術(shù) ,從而得到頻移信號所對應(yīng)的頻率 ,在此基礎(chǔ)上 ,根據(jù)多普勒效應(yīng)原理 ,求取管道中流體流速及其它數(shù)據(jù)量。但就當(dāng)前測量水平來說 ,其精度及其它性能都有待于進一步提高 ,因此 ,超聲多普勒流量計的研究無論是對于自動化測量技術(shù)的提高還是對于環(huán)保事業(yè)來說 ,都將是一項極有意義的研究課題。西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 超聲波流量計（信號處理） 摘 要 ： 超聲多普勒流量計主要用于污水類非純凈液體和混有固體顆粒的兩相流的流量測量 ,其優(yōu)點是 :分辨率高 ,對流速變化響應(yīng)快 。對流體的壓力、粘度和溫度等因素不敏感。本課題設(shè)計的超聲多普勒流量計引入先進的數(shù)字信號處理技術(shù) ,在頻域上對多普勒信號進行有效的處理 ,主要處理技術(shù)是以快速傅里葉 (FFT)變換為基礎(chǔ)的周期圖法和峰值逼 近算法。 以 MATLAB 為分析工具對超聲波多普勒流量計信號處理方法進研究 ,并對可行的數(shù)據(jù)處理組合方式效果進行分析 ,為該類流量計的軟件設(shè)計提了新供的思路。 適用于流量測量的超聲波技術(shù)的原理是：超聲波換能器發(fā)出的超聲波通過某一入射角度進入到被測流體中，在被測流體中超聲 波就載有流體的流速信息，通過使用接收到的超聲波信號就能對流體的流速和流量進行測量。和其他種類的超聲波流量計，例如渦街流量計、質(zhì)量流量計、差壓流量計、電磁流量計等流量計相比較。 ? 多樣的換能器形式，這樣就可以應(yīng)用于不同的場合，除過可以用于測量石油、水等的一般導(dǎo)聲的流體以外，也可以 用來測量高壓、高溫、非導(dǎo)電、易爆、強腐蝕以及具有放射性等特點的導(dǎo)聲流體。 ? 它的通用性好，在可測量的口徑的范圍內(nèi)，同樣一臺流量計可以測量任何不同口徑類型的管道。 ? 它的安裝和維修比較方便，不需要專用的閥門等，也不用中斷流體的流動，不影響生產(chǎn)流程。進 入 70 年代后，因為集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，高穩(wěn)定性、高性能的鎖相技術(shù)的應(yīng)用，使得實用超聲波流量計得到了迅速的發(fā)展。其中的傳播速度差法又分為相差法、時差法和相差法。多普勒和時差法被廣泛的使用。早期使用的是單聲道工作方式，后來開始使用多聲道工作方式，這不僅降低了儀表對流速斷面的敏感性，而且同時也提高了精度。時差法剛開始發(fā)展的西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 時候，超聲波的發(fā)射波是窄聲帶的，一般來說只適用潔凈的單相被測液體。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理， 來測量不均勻流體中散射的超聲波多普勒頻移來計算流體的流量。 就出現(xiàn)了超聲波流量計。 同時 , 對小流量和粘液、非導(dǎo)電介質(zhì)的測量也不受限制。 多普勒超聲波流量計的主要應(yīng)用領(lǐng)域有： ? 包含具體顆粒的兩相流流量的測量，例如工業(yè)污水、礦漿、城市污水等等； ? 用于準(zhǔn)確度要求不高，但是要求重復(fù)性好的場合，例如裝在泵上作為泵的保護裝置，或者是作為流