超聲風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計(jì).pdf

1、介紹了風(fēng)速風(fēng)向儀的幾種實(shí)現(xiàn)方式,對(duì)采用超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測(cè)量的幾種方法的原理、各自的優(yōu)缺點(diǎn),以及影響測(cè)量精度因素進(jìn)行了討論,并對(duì)超聲風(fēng)速風(fēng)向儀國(guó)內(nèi)外的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了介紹。
　　分別從超聲換能的諧振頻率與到達(dá)時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度、超聲傳播衰減特性、發(fā)射信號(hào)指向性等幾個(gè)參數(shù)的關(guān)系的角度進(jìn)行了分析,選擇了適合的工作頻率。對(duì)換能器結(jié)構(gòu)、換能器的壓電材料、聲阻抗匹配層設(shè)計(jì)、背襯材料、工藝流程等進(jìn)行了討論。分析了兩種類型超聲換能器的設(shè)計(jì)方法:第一種

2、是工作在徑向振動(dòng)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的單頻壓電超聲換能器;第二種是利用壓電材料柱體的徑向和縱向振動(dòng)模態(tài)接近,通過(guò)兩種模態(tài)耦合來(lái)形成的寬帶換能器。多換能器組的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)矢量風(fēng)速的測(cè)量準(zhǔn)確度有重要影響,本文對(duì)直通式和反射式兩種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了分析,提出了一種兩者相結(jié)合的超聲探頭拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了仿真分析,拓展了單個(gè)超聲探頭的風(fēng)速測(cè)量范圍。
　　文中利用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)了激勵(lì)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路,驅(qū)動(dòng)電路采用MOS

3、FET電路實(shí)現(xiàn)。接收端的超聲探頭輸出的探測(cè)信號(hào)幅度非常小,包含大量因聲學(xué)干擾和電學(xué)干擾引起的噪聲信號(hào),本文設(shè)計(jì)了一種多級(jí)放大、濾波結(jié)構(gòu),放大信號(hào)的同時(shí)很好地抑制了噪聲信號(hào)。放大后的模擬信號(hào)被數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),并送入FPGA進(jìn)行處理。文章采用硬件編程語(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)了超聲信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)量,討論并比較了過(guò)零檢測(cè)法、相位檢測(cè)法和相關(guān)檢測(cè)法等三種超聲信號(hào)到達(dá)時(shí)間測(cè)量方法。
　　本文完成了一種二維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計(jì),通過(guò)采用直通式與反射