超声波的多普勒测管道流速流量的发射接收电路以及其信号处理等设计
用于超声波测距发射及接收电路设计
以 保证
,
基 极 的 方 波 不 失真
。
起保 护 三 极 管 的 作 用 日 起 限 流 的作 用
、
。
及
的 匝数 为
,
设 接入 系 数
二
,
近似
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与超 声 波 换 能器在 发 射 时 所 需 正 弦 信号 的 振 幅 之 比
,
当
,
较小 时 要求
能 输 出较 大 的 电流振 幅 这 时
。
,
应 取 小一 些
、
,
这 样 可 以 提 高发 射 功 率 和 接 收信 号 的质 量 后 减小 了 发 射与接 收 间 的影 响
,
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、
、
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、
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输 出 的 方 波 祸合 到 三 极
,
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,
,
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。
在 发 射 时 发 射 电路 不 能 破坏 接 收 电 路
, ,
接 受 电 路也 不 能 影 响 发
、
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的 对 信 号 的损 耗 我们 所设 计 的 电路 如 附 图 所 示 试 验 效 果 良好
用 于 超 声 肠 测 距发尉 及 拐 成 毋 路 计
在具 有超 声 波 测 距 功 能 的 仪器 设 备 中 用 于 驱 动 超声 波发 射
超声波流量计多普勒法
超声波流量计多普勒法1. 引言超声波流量计是一种非接触式的流量测量设备，它利用多普勒效应原理来测量液体或气体的流速。
多普勒效应是指当波源与观测者相对运动时，观测者对波的频率感知将发生变化。
刚好利用这一效应，超声波流量计多普勒法能够测量流体中微小颗粒的速度，并通过计算来得出流速。
2. 原理超声波流量计多普勒法的原理基于多普勒频移现象。
当超声波通过流体中的颗粒时，如果颗粒具有速度，超声波的频率将发生变化。
多普勒频移（Doppler shift）是指入射波的频率与反射波的频率之差。
根据多普勒频移的大小，可以计算出颗粒的速度以及流体的流速。
3. 流程超声波流量计多普勒法的测量流程包括以下几个步骤：3.1 发射超声波流量计通过发射器产生超声波，并将波束朝向待测流体。
3.2 接收反射波超声波穿过流体时，会被颗粒散射和反射回流量计。
接收器接收到反射波，并将其传输至处理单元。
3.3 计算频移处理单元通过分析接收到的反射波的频率与发射波的频率之差，计算出多普勒频移。
3.4 计算流速通过应用多普勒频移公式，结合已知参数如声速和探头的角度等，可以计算出颗粒的速度，进而得出流体的流速。
4. 优点与应用超声波流量计多普勒法具有以下优点：4.1 非侵入式测量超声波流量计多普勒法不需要将传感器直接插入流体中，而是通过无线传输进行测量，不会对流体的流动性质造成影响。
4.2 高精度测量由于多普勒法能够测量微小颗粒的速度，因此可以实现对流体的高精度流速测量，适用于一些对流量要求较高的场合。
4.3 宽测量范围超声波流量计多普勒法的测量范围广泛，可以适应不同流速的测量要求。
超声波流量计多普勒法在许多领域得到了广泛应用，如石油化工、水处理、卫生医疗等。
5. 总结超声波流量计多普勒法通过利用多普勒效应原理进行流速测量，具有非侵入式、高精度和宽测量范围等优点。
在实际应用中，我们可以根据需求选择适合的流量计型号和参数来满足测量要求。
随着技术的不断发展，超声波流量计多普勒法在实用性和应用范围上也将得到进一步拓展和提升。
毕业设计-超声波多普勒效应测速仪的设计
毕业设计-超声波多普勒效应测速仪的设计嘉应学院物理与光信息科技学院超声波多普勒效应测速仪一、题目分析本设计为本次实验设计大赛基础题，其设计的原理基于多普勒效应。
题目的任务为:设计与多普勒效应相关的实验，观测其物理现象，基于实验测量数据分析被测对象的物理过程(物理量)。
要求:(1)突出实验的物理原理;(2)体现作品的物理创新思想;(3)进行不确定度分析;(4)操作简易、可用于实验教学;(5)性价比高。
从题目命题来看，目的非常明确，就是设计一个实验使之能观测多普勒效应并能测定相关物理量。
实现这个基本点的基础上，要求体现作品的物理创新思想与实用性。
再者，实验装置成本低，性能好。
创新的一个基本认识是:通过创造或引入新的技术、知识、观念或创意创造出新的产品、服务、组织、制度等新事物并将其应用于社会，以实现其价值的过程。
价值包括其经济价值、社会价值、学术价值和艺术价值等。
这里要求设计能够体现物理创新思想，即意味着设计需要另辟蹊径，走一条新路子。
至少要避开实验室已有的传统的实验设计方案。
实用性明确:操作简易，可用于实验教学。
这就要求设计人性化，易于交互，原理明确，测量准确。
性价比指标则要求控制成本，在实现同样的功能前提下其成本更加低廉。
为此首先必须正确理解多普勒效应。
多普勒效应描述的是波源或观察者，或者两者同时相对于介质有相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源的振动频率不同，即发生了频移。
由此可知，这一实验设计的基本任务必须立足几点:(1)波源选择。
多普勒效应是一切波动过程的共同特征，它适用的对象是波。
机械波与电磁波(光波)均可作为本次实验设计的分析对象。
水波、声波、光等都可以作为波源。
波源选择不同，其对应的检测方法不同，难度也不一样。
(2)设置合适的接收装置，便于观测和定量分析。
1 学生实践与科技创新中心嘉应学院物理与光信息科技学院(3)测量对象。
利用多普勒效应可以测量物体的运动速度、液体的黏度[1]等。
超声多普勒测速仪设计报告
超声多普勒测速仪设计报告引言超声多普勒测速仪是一种用于测量物体运动速度的仪器。
它基于超声波的特性，通过发送连续的超声波信号，并接收回波信号来计算物体的运动速度。
本设计报告将介绍超声多普勒测速仪的设计原理、硬件电路和软件算法，并讨论其应用领域和优势。
设计原理超声多普勒测速仪的设计原理基于多普勒效应。
多普勒效应是指当波源和接收器相对于运动介质或物体运动时，波的频率会发生变化。
在超声多普勒测速仪中，超声波在发送时与物体相互作用，产生反射回波。
通过检测回波的频率变化，可以计算出物体的运动速度。
硬件电路设计超声多普勒测速仪的硬件电路由以下组成部分构成：1. 超声发射器：负责产生频率可调的超声波信号，并将其发送至待测物体。
2. 超声接收器：负责接收物体反射回的超声波信号，并将其转换为电信号。
3. 微控制器：用于控制超声发射器和接收器的工作，并处理接收到的电信号。
4. 显示屏：用于显示测得的速度结果。
5. 电源模块：提供所需的电源电压和电流。
硬件电路的设计原则是保证超声波信号的发送和接收质量，以及稳定可靠的工作环境。
软件算法设计超声多普勒测速仪的软件算法主要包括以下步骤：1. 初始化设置：包括调节超声发射器的频率和接收器的增益，以适应不同类型的测量物体。
2. 发送超声波信号：通过控制超声发射器发送连续的超声波信号。
3. 接收回波信号：接收器接收到物体反射回的超声波信号，并将其转换为电信号。
4. 计算回波频率：通过分析接收到的回波信号的频率变化，计算出物体的运动速度。
5. 显示结果：将测得的速度结果显示在相关的显示屏上。
软件算法的设计目标是提高测量的精度和速度，并考虑到各种干扰因素，如噪声和信号衰减。
应用领域和优势超声多普勒测速仪在许多领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 汽车行业：用于测量车辆的速度和加速度，以帮助驾驶员控制车辆，提高行车安全性。
2. 医疗领域：用于测量血液流速，诊断心血管疾病和血管狭窄等病症。
超声波多普勒流速流量仪的原理介绍
超声波多普勒流速流量仪的原理介绍1. 引言超声波多普勒流速流量仪是一种常用于测量液体或气体流速和流量的设备。
它利用超声波的特性来测量流体中的速度，并根据速度和管道截面积计算出流量。
本文将详细介绍超声波多普勒流速流量仪的工作原理。
2. 超声波传感器超声波多普勒流速流量仪使用了超声波传感器来测量流体中的速度。
超声波传感器通常由一个发射器和一个接收器组成。
发射器会向管道内部发射一束超声波脉冲，而接收器会接收到被液体或气体反射回来的信号。
3. 多普勒效应在介质中传播的超声波会受到多普勒效应的影响。
当液体或气体中存在着运动物体时，物体运动引起了超声波频率的变化。
这种频率变化被称为多普勒频移，它与物体运动方向和速度相关。
4. 多普勒频移测量超声波多普勒流速流量仪利用多普勒频移来测量流体中的速度。
当超声波脉冲被发射器发射后，它会被液体或气体中的颗粒反射回来。
接收器接收到这些反射信号后，会分析其频率变化来计算出流体的速度。
5. 多普勒频移计算根据多普勒效应的原理，多普勒频移与物体运动速度成正比。
通过测量多普勒频移，可以得到液体或气体中颗粒的运动速度。
6. 流速计算根据液体或气体中颗粒的运动速度，可以计算出流体的平均流速。
在一个管道中，不同位置处的流速可能存在差异。
为了获得准确的平均流速值，需要在管道横截面上进行多个点位的测量，并对这些测量结果进行平均。
7. 流量计算通过测量液体或气体中颗粒的平均流速和管道截面积，可以计算出流体的实际流量。
流量是指单位时间内通过管道横截面积的液体或气体体积。
8. 测量误差及校准超声波多普勒流速流量仪在实际应用中可能存在一定的测量误差。
这些误差可能来自于传感器的精度、液体或气体中颗粒分布的不均匀性等因素。
为了提高测量的准确性，需要对设备进行定期校准，并采取相应的补偿措施。
9. 应用领域超声波多普勒流速流量仪广泛应用于工业生产、环境监测、医疗设备等领域。
它可以测量各种液体和气体的流速和流量，具有非侵入式、无污染、高精度等优点。
超声波多普勒流量计工作原理
超声波多普勒流量计工作原理
超声波多普勒流量计具有结构简单，非接触式测量，易于集成的特点，在工业生产、农业灌溉、水文环境监测等领域具有广阔的应用前景。
超声波是波长非常短的机械波，频率通常高于20KHz，但它频率高，可以聚集更多的能量，穿透力强，传输距离长，被广泛用于河道流量测量等。
超声波多普勒流量计基于流体流量对其内部声波信号的影响，并通过检查声波信号的变化获得流量信息。
当被测介质的流速不同时，超声脉冲的传播速度在其坐标系（如仪器外壳）内部也大不相同，并且传播速度和介质相关。
该方法分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相关法以及噪声法等。
组件包括超声波换能器、信号传输电缆以及后续的信号处理装置，即超声发射器和接收器，主控制芯片及其外围电路。
超声波多普勒流量计的管壁上一般安装有超声波换能器，可把输入的电功率转换成超声波再发射出去。
换能器需要做好屏蔽措施，以防外界噪声干扰等因素影响超声波回波信号准确度。
超声波多普勒流量计具有非接触式、无阻挠且无压力损失等优点，在流量测量领域广泛应用。
基于单片机的超声波多普勒测速设计
基于单片机的超声波多普勒测速设计超声波多普勒测速是一种常见的测速方法，它通过测量目标物体反射回来的超声信号频率的变化来计算物体的运动速度。
本文将介绍基于单片机的超声波多普勒测速的设计。
首先，我们需要了解超声波多普勒测速的原理。
当超声波与运动物体相交时，超声波的频率会发生变化，这种变化称为多普勒效应。
根据多普勒效应的原理，我们可以使用超声波多普勒测速来测量物体的速度。
接下来，我们需要选择合适的硬件设备。
在设计基于单片机的超声波多普勒测速系统时，我们可以选择使用超声波发射器和接收器、运放电路、A/D转换器和单片机等设备。
超声波发射器和接收器是核心部件，用于发送和接收超声波信号。
运放电路用于放大接收到的超声波信号，提高信号的强度。
A/D转换器负责将模拟信号转换为数字信号，以便单片机能够处理。
单片机是整个系统的处理器，负责控制各个部件的工作，并计算出物体的速度。
在设计过程中，首先需要进行硬件电路的连接和调试。
将超声波发射器和接收器连接到运放电路，并将电路连接到A/D转换器和单片机。
接下来，需要编写单片机的程序代码，实现超声波信号的发射和接收，以及对接收到的信号进行处理和计算速度的操作。
具体的程序代码可以按照以下步骤实现：1.初始化单片机和所有外设。
2.发射超声波信号。
3.接收反射的超声波信号，并通过运放电路放大信号。
4.将接收到的模拟信号转换为数字信号。
5.根据多普勒效应计算物体的速度。
6.将速度结果通过显示器或者其他方式输出。
在设计过程中，需要注意以下几点：1.超声波发射和接收的频率要合适，能够达到高精度的速度测量要求。
2.运放电路的设计要合理，确保接收到的信号能够被放大到合适的范围内。
3.单片机的处理速度要足够快，能够及时处理接收到的信号，并计算出物体的速度。
4.系统整体的精度和稳定性要可靠，可以进行必要的校准和调试。
综上所述，基于单片机的超声波多普勒测速设计是一项复杂而有挑战性的任务。
通过正确选择硬件设备、合理设计电路和编写程序代码，可以实现准确和可靠的测速结果。
基于超声多普勒流量测量放大电路设计及仿真
• 196 •或气泡的多相流体测量后测试管径的合适程度、壁厚的尺寸以及管内的容量。
但在超声波的传输过程中会造成声波的反射、散射和透射，会造成声波信号的衰减，对于超声波接收传感器需要使用放大电路对微弱小信号进行放大，用来匹配后续的信号处理电路。
因此，放大电路在超声多普勒流量计中的作用必不可少。
1.放大电路设计原理放大电路中的输出级应有一定的带负载能力，输出电阻要小，动态范围要大。
超声波接收传感器后置放大电路有两个作用，一是超声波传感器是超声多普勒流量系统设计中的关键，为了提高超声接收传感器的灵敏度，减少测量误差，需要将接收端的微弱小信号进行放大处理。
本文基于超声多普勒流量测量放大电路仿真及设计，分析放大电路原理，采用Multisim12对放大电路进行仿真，使用AD10绘制放大电路印刷板进行实验分析。
引言：超声波多普勒流量计优化于传统流量计，采用非接触式设计，对非纯净液体，混有固体颗粒的多流量的流量进行测量。
它拥有使用简单，安装便利，成本低，适合复杂的工作环境等优点。
超声波多普勒流量计使用于各行各业，尤其是工业排水通道、大量化工处理后的废水排放、居民的污水渠道、油水混合物等流量的计量，通过对悬浮固体颗粒基于超声多普勒流量测量放大电路设计及仿真西安石油大学 郝耀民 陈 欢 李利品图1 放大电路原理框图图2 放大电路仿真图图3 仿真电路示波器波形图DOI:10.19353/ki.dzsj.2019.04.116• 197 •放大电压增益是放大微弱小信号的电压值，将传感器的高输入阻抗变为低阻抗输出；二是在放大跨导增益中匹配驱动电流以满足后续电路处理。
如图1所示，设输入端信号为角频率为w，幅值为的正弦波信号：分析得输入级电压放大增益系数为：中间级GPOS端与第三级端相连形成反馈网络自适应于输入电压：输出级由NPN和PNP构成的互补推挽功放电路输出电压满足下式，在一个完整的周期内，NPN和PNP轮流导通，信号总是从基极激励，射级响应。
超声波多普勒流速流量仪的原理介绍
超声波多普勒流速流量仪的原理介绍超声波多普勒流速流量仪是一种用于测量流体中速度和流量的先进仪器。
它利用超声波的特性，在流体中进行测量，并通过信号处理和计算得出流量值。
这种仪器在各种工业和医疗应用中发挥着重要作用。
超声波多普勒流速流量仪的原理非常简单，但却非常有效。
首先，仪器通过发送高频率的超声波信号到流体中。
这些超声波信号会以声波的形式穿过流体，并与流体中的颗粒进行相互作用。
当超声波与流体中的颗粒碰撞时，会发生一种称为多普勒效应的现象。
多普勒效应是指当一个声源靠近或远离观察者时，声波的频率会发生变化。
这种变化可以用来确定流体中的速度。
为了测量流体中的速度和流量，超声波多普勒仪器需要接收回波信号并进行分析。
当超声波信号与流体中的颗粒碰撞后，它们会以不同的频率和振幅返回到传感器中。
接收到的回波信号会被放大和处理，然后用于计算流体中的速度。
这个计算过程是非常复杂的，需要精确的算法和计算能力。
除了测量流体中的速度，超声波多普勒流速流量仪还可以根据速度和流体的横截面积来计算流量。
横截面积是流体通过的管道或容器截面的大小。
通过将速度和横截面积相乘，可以得到流量值。
这个过程可以在仪器内部进行，同时显示在仪器的显示屏上。
超声波多普勒流速流量仪具有许多优点和应用。
首先，它可以非侵入性地测量流体的速度和流量，无需打开管道或中断流体的运动。
这对于一些需要保持流体连续流动的应用非常重要。
其次，超声波多普勒流速流量仪具有高精度和稳定性，即使在复杂的流动条件下也可以提供准确的测量结果。
最后，它还可以适用于各种流体，包括液体和气体，并且可以在不同的温度和压力下工作。
总而言之，超声波多普勒流速流量仪利用多普勒效应来测量流体中的速度和流量。
通过发送和接收超声波信号，并进行信号处理和计算，这种仪器能够提供准确的测量结果。
它在工业和医疗领域有着广泛的应用，并且可以在各种流体条件下工作。
对于需要测量流体速度和流量的应用来说，超声波多普勒流速流量仪无疑是一种非常有用的工具。
超声波测流量的原理
超声波测流量的原理超声波测流量是一种常用的无接触、无阻力的流量测量方法。
其原理基于多普勒效应和速度剖面补偿原理。
下面将以步骤的形式详细介绍超声波测流量的原理：1. 多普勒效应多普勒效应是超声波测流量原理的基础。
当声源和接收器相对于流体运动时，声波的频率会发生改变。
如果流体运动方向与声波传播方向相同，声波频率将增加；如果二者方向相反，声波频率将减小。
基于这个原理，通过测量声波的频率变化，可以获得流体的速度信息。
2. 发射和接收声波超声波测流量需要同时发射和接收声波信号。
通常采用声束置于流体中，以垂直于流动方向的方式发射声波。
接收器位于发射器的一侧，接收从流体中反射回来的声波信号。
发射和接收装置通常是压电晶体，能够将电能转换为声波信号和声波信号转换为电能。
3. 测量声波频率变化通过发送和接收声波信号，我们可以测量流体的速度信息。
根据多普勒效应，声波反射的频率变化与流体速度成正比。
当流体静止时，反射频率等于发射频率。
当流体运动时，反射频率会增加或减小。
根据这个频率变化，我们可以计算出流体的速度。
4. 速度剖面补偿超声波测流量时需要考虑流体速度剖面对测量精确度的影响。
由于流体在管道中的速度分布不均匀，流体在不同位置的速度可能不同。
为了准确测量流体的平均速度，需要进行速度剖面补偿。
一种常用的方法是使用两个或多个声束，在不同位置上测量流体速度，然后根据流量分布进行补偿计算。
5. 使用超声波测流量计算流量根据测量到的流体速度信息和速度剖面补偿，我们可以计算出流体的流量。
流量可以通过计算单位时间内通过管道的体积确定。
通过测量不同位置上的速度，并考虑速度剖面的补偿，我们可以准确地计算出流体的平均流速，从而得到流量。
总之，超声波测流量的原理是通过利用多普勒效应，测量流体中声波的频率变化来获取流体的速度信息。
再结合速度剖面补偿，我们可以精确计算出流体的流量。
这种测量方法具有无接触、无阻力的特点，广泛应用于工业流量测量领域。
多普勒超声流量计工作原理
多普勒超声流量计工作原理
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多普勒超声流量计工作原理：
①超声波发射：流量计内的传感器向流体中发射超声波脉冲。
②多普勒频移：流体中的悬浮颗粒或气泡随着流体流动，当超声波遇到这些运动粒子时，反射回来的声波频率会因多普勒效应而发生变化，与原始发射频率产生差异。
③接收与分析：接收器捕捉到这些频率偏移的回波信号，并转换为电信号。
④计算流速：通过测量频率偏移的大小，结合多普勒频移公式，计算出流体中粒子的相对速度，进而推算出流体的平均流速。
⑤流量计算：知道流速后，结合管道截面积，根据速度面积法，计算出流体的体积流量。
⑥数据显示：处理单元将计算出的流量值转换为直观的读数显示在仪表上，或通过通信接口传输给控制系统。
该技术特别适用于含有悬浮颗粒或气泡的流体测量，如污水、泥浆或含有杂质的液体，而不适用于纯净的液体。
超声波多普勒流量计测量原理
超声波多普勒流量计测量原理
超声波多普勒流量计是一种常用于测量液体或气体流速的
设备。
其测量原理基于多普勒效应，利用声波在流体中传播时受到流体流动速度的影响而引起的频率变化。
这种流量计工作时，通过发射超声波信号进入流体中并与
流体中的颗粒（如气泡或颗粒悬浮物）相互作用。
超声波在流体中传播时，会以一定的频率与速度传播。
当超声波信号与流体中的颗粒相互作用时，返回的信号会发生频率偏移。
通过测量返回超声波信号的频率变化，可以计算出流体中
的流速。
根据多普勒效应的原理，如果流体靠近传感器运动，则超声波信号的频率将增加；相反，如果流体远离传感器运动，则超声波信号的频率将降低。
为了准确测量流速，超声波多普勒流量计需要考虑到流体
中颗粒的速度和信号的散射。
通常使用两种技术来实现测量：连续波（continuous wave）和脉冲波（pulsed wave）。
在连续波技术中，超声波信号以恒定频率发射并连续接收。
通过比较发射和接收的频率差异，可以计算流速。
然而，这种技术对颗粒速度的测量较为困难。
脉冲波技术则通过定期发射超声波信号并间歇性地接收回
波信号。
通过测量信号的时间延迟和频率偏移，可以准确计算流速。
这种技术对于测量粒子速度较为可靠，但需要更复杂的信号处理技术。
超声波多普勒流量计是一种基于多普勒效应的测量设备，
可用于测量流体中的流速。
它利用超声波信号与流体中颗粒的相互作用，通过测量频率的变化来计算流速。
不论是连续波还是脉冲波技术，超声波多普勒流量计在工业和医学领域中都具有广泛的应用。
基于超声多普勒方法的管道流量测量研究共3篇
基于超声多普勒方法的管道流量测量研究共3篇基于超声多普勒方法的管道流量测量研究1基于超声多普勒方法的管道流量测量研究管道流量测量是现代工业生产中不可或缺的环节之一。
通常，流量的测量需要用到多种方法，例如机械测量、电磁式测量和超声波测量等。
其中，超声波测量是一种非接触式、无污染、精度高且操作简单的流量测量方法，因此被广泛应用于工业领域中。
本文将着重分析基于超声多普勒方法的管道流量测量研究。
超声多普勒方法测量原理基于多普勒效应。
当流体（如水或气体等）从管道中流过时，会存在不同的速度分布。
如果在管道的一侧放置一个超声传感器，可以通过检测回波和多普勒频移来确定管道内的平均流速。
在此基础上，可以根据不同的管道参数，计算出精确的流量值。
相比于其他方法，超声多普勒方法不仅依赖于管道壁内的垂直组分，还会受到一些外部因素的影响，例如流体涡流、流体的温度、压力、粘度等。
因此，需要对这些因素进行精确的修正，以保证测量结果的准确性。
在实际的管道流量测量中，为了避免误差，需要对测量环境进行精细的控制。
例如，必须确保管道内没有气泡，同时采用合适的管道尺寸和流体流速范围，以最大程度地减小测量误差。
此外，超声多普勒方法还受到各种噪声干扰的影响，例如环境声、机械振动等。
因此，需要采用合适的信号滤波技术来削除这些干扰信号。
超声多普勒方法在管道流量测量中的应用非常广泛。
例如，在化工行业中，测量管道内的流量可以用于调整化工工艺的生产能力和燃料消耗，从而提高生产效率和降低成本。
在环保领域中，管道流量测量可以用于测量废水和废气的排放量，从而控制环境污染。
此外，在石油和天然气行业中，测量管道流量可以用于监测油气生产和输送，从而保障行业的正常运作和安全生产。
总之，基于超声多普勒方法的管道流量测量是一种非常重要的技术手段，具有广阔的应用前景。
尽管存在一些实际应用中的限制，但通过对流体动力学、信号处理和计算方法的优化，相信这种技术将会在未来得到进一步的完善和发展，为各行业的生产和科研提供更加准确、可靠的数据支撑基于超声多普勒方法的管道流量测量技术是一种高精度、非接触式的测量手段，可广泛应用于化工、环保、石油等行业中的流量、场量、速度等参数测量。
超声波多普勒流量检测系统电路设计
图 ３ ５５５ 定时器超生波发射电路
由(4)式可知,555 多谐振荡器的振荡频率由 R2,R3, C1、来确定。所以在电路设计时,先确定 C1、R2 的取
值,即 C1=3300pf,R2=2.7K Ω 。再将 R2 和 C1 的值代入
上式中可得:
R3 = 1.43 C1 f − 2R 2
(5)
为了使 555 芯片的输出频率为 40kHz 的方波,在这
据输入的仪表参数进行流速、流量、累计流量等所需要 (6) 的数据量的计算。
(7) ４ 系统测试
在多普勒流量测量系统中: 设管道直径 D 为 2 0 .
00cm,超声波探头与水流速度方向夹角θ 为 30°,发射频
率为 40kHz,在水中传播速度为 1450m/s。在标定实验室 的清水管道中加入少量气泡作为超声信号的反射介质, 流量真值采用容积法测出。系统流量测量数据见表 1。从 测量数据中可以看出,系统误差小于 3%,符合预期要求。
《自动化技术与应用》２ ０ １ ３ 年第 ３ ２ 卷第 ０ １ 期
仪器仪表与检测技术
Instrumentation and Measurment
超声波多普勒流量检测系统电路设计
兰 羽 １， 屈改平 ２
(1.陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000;2.陕西省南郑县医院,陕西 汉中 723100)
３．３ 混频及低通滤波电路
５ 结束语
该系统分辨率高, 对流速变化响应快, 对流体的压 力、粘度、温度、密度及导电率等因素不敏感,没有零 点飘移问题[6]。经实验测试表明,系统误差小于 3%。本 系统是利用声波在流体中传播的多普勒效应而设计的 流量测试装置, 该装置安装于被测管道的外侧, 不影响 流体的流动, 不接触被测流体, 无压力损失, 维修方便, 特别适用于有害、有毒、腐蚀性强的液体[7]。
超声波多普勒流量计的设计
超声波多普勒流量计的设计涂晓立;杨道业;陈静【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2016(000)003【摘要】针对传统的超声波多普勒流量计存在的精度低、稳定度差、动态响应慢的问题，研制了一种新型的超声波多普勒流量计。
硬件部分主要设计了超声波换能器的发射与接收电路、功率放大与滤波电路、混频电路以及STM32F4及其外围器件。
采用STM32F4作为超声波多普勒流量计的主控芯片，STM32F4采用Cortex －M4内核，其内置硬件FPU单元，在数字信号处理方面还增加了DSP指令集，使得它在数字信号处理方面的能力得到大大的提升。
在硬件电路中选用高精度的DDS芯片产生基准信号来驱动超声波换能器。
在频移信号处理方面，采用中频解调技术将频移信号解调到10 kHz，提高了系统测量的稳定度以及对流速变化的响应速度。
运用快速傅里叶变换算法（ FFT）对STM32F4采集到的频移信号进行频谱分析，有效地提高了超声波流量测量系统的精度，并以matlab为分析工具对采集到的多普勒频移信号进行频谱分析，从而得到其频率的变化。
【总页数】3页(P41-43)【作者】涂晓立;杨道业;陈静【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京 211816;南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京 211816;江苏省信息中心，江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TP934【相关文献】1.基于DSP的超声波多普勒流量计的设计 [J], 毕雪芹;倪原;陈国绍2.一种提高超声波多普勒流量计测量精度的方法 [J], 贾惠芹;时文娟;冯旭东;党瑞荣3.基于FPGA和AVR的多普勒超声波流量计的设计 [J], 王乐;杜文广4.基于多普勒超声波流量计的城市河渠流速测量研究 [J], 潘凌;武治国;张春萍;沈海超;陈银;张家铨;毛红梅5.超声波多普勒流量计在后峡水文实验基地流量测验中的应用 [J], 邸飞艳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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超声波多普勒流量计丈量原理1．基本工作原理超声波多普勒流量计的丈量原别是以物理学中的多普勒效应为基础的。
依据声学多普勒效应，当声源和察看者之间有相对运动时，察看者所感觉到的声频次将不一样于声源所发出的频次。
这个因相对运动而产生的频次变化与两物体的相对速度成正比．在超声波多普勒流量丈量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一同运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“察看者”的作用，自然它只是是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收条．发射声波与接收声波之间的频次差，就是因为流体中固体颗粒运动而产少的声波多普勒频移．因为这个频次差正比于流体流速，所以丈量频差能够求得流速．从而能够获得流体的流量．所以，超声波多普勒流量丈量的一个必需的条件是：被测流体介质应是含有必定数目能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质．这个工作条件实质上也是它的一大长处，即这类流量丈量方法适合于对两相流的丈量，这是其余流量计难以解决的问题．所以，作为一种极有前程的两相流丈量方法和流量计，超声波多普勒流量丈量方法当前正日趋获得应用．2．流量方程假定，超声波波束与流体运动速度的夹角为，超声波流传速度为c，流体中悬浮粒子运动速度与流体流速同样，均为 u．现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例，导作声波多普勒频差与流速的关系式．如图 3—39 所示，当超声波束在管轴线上碰到一粒固体颗粒，该粒子以速度u 沿营轴线运动．对超声波发射器而言，该粒子以u cos a 的速度离开，所以粒子收到的超声波频次f2 应低于发射的超声波频率 f1，降低的数值为f2 －f1＝－f1 （ 3－ 73）即粒子收到的超声波频次为f2 ＝f1－f1 （ 3－ 74）式中f1 ――发射超声波的频次；a――超声波束与管轴线夹角；c――流体中声速。
固体粒子又将超声波束散射给接收器，因为它以u cos a 的速度走开接收器，所以接收器收到的超声波频次 f3 又一次降低，近似于f2 的计算， f3 可表示为f3 ＝f2－f2 （ 3－ 75）将 f2 的表达式代入上式，可得：f3 ＝f1（ 1－2 )＝ f1（ 1－ 2＋）（3－76）因为声速 c 远大于流体速度u，故上式中平方项能够略去，由此可得：f3 ＝f1（ 1－ 2）（3－77）接收器收到的超声波频次与发射超声波频次之差，即多普勒频移f1，可由下式计算：f ＝ f1－ f3＝f1－ f1（ 1－ 2）＝ f1 （ 3－78）由上式可得流体速度为u＝f（3－79）体积流量qv 能够写成：qv＝ uA ＝f（3－80）式中， A 为被测管道流通截面积．出以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确立此后，多普勒频移与体积流量成正比，丈量频移 f 就能够获得流体流量qv。
多普勒流量计工作原理
多普勒流量计工作原理
多普勒流量计是一种常用的流量测量仪器，其主要原理是基于多普勒效应的测量原理。
它可以对运动流体的流速和流量进行测量，适用于各种流体，如水、油、气体等。
下面将主要介绍多普勒流量计的原理和实现方式。
多普勒流量计测量原理是超声波多普勒原理，多普勒流量计通过测量流体中的超声波频率变化，实现对流体速度和流量的测量。
多普勒流量计通常包含一个发射器和一个接收器，发射器会向流体中发射高频超声波，并且接收器可以接收回波信号。
在正常流动的情况下，声波在流体中传播的速度是恒定的，但是当存在流体速度差异时，超声波的频率就会发生变化，具体变化的大小与流体速度大小相关。
接收器接收到的超声波频率变化可以反映流体速率，据此可以计算出流体体积流量。
在实际测量中，多普勒流量计通常通过两种不同的方法实现测量。
一种是反射模式，也称为入射法，此时超声波的发射和接收在同一侧，流体中的弹性波由传感器发射，撞击到流体成为声波，再由同一传感器接收回波。
另一种是穿透模式，也称为非入射法，此时超声波在流体中穿过流体并在对侧的传感器上接收。
两种方法的选择取决于流体的类型和所需测量的具体参数等。
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超声波多普勒测流速流量设计核心超声波传感器收发装置1.1超声波传感器超声波的发射与接收都是通过换能器实现的，换能器的材质、工作频率、晶片直径极大的影响了发射的效率及回波接收的质量，因此选择合适的换能器对于整个系统能否按预期目标工作来说是至关重要的。
1）换能器材质的确定压电换能器，使用的材料有压电单晶体、压电陶瓷、压电半导体、压电高分子聚合物和复合压电材料。
压电换能器以介电损耗小、机电耦合系数比较大和足够高的机械强度优于石英晶体、镍和一些合金材料，已日趋广泛地用于超声波换能器。
课题选用其中的压电陶瓷超声换能器，有压电性能好，生产和机械加工方便等优点，在各种超声检测中都有广泛的应用。
2）超声波换能器工作频率的选择工作频率的选择需考虑以下因素：●工作频率高，分辨力高，有利于增大信噪比及提取所需信号；●工作频率高，波长短，半扩散角小，声束指向性好，声能集中，有利于接收回波；●工作频率增加，声能急剧衰减。
工作频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对测量有利；但工作频率高时，能力衰减大，又对检测不利。
因此，应综合考虑，选择适中的频率。
本课题选择的超声换能器工作频率为1MHz。
3）超声波换能器晶片直径的确定超声波换能器直径D一般为毫米，晶片大小对超声检测具有一定的影响。
晶片直径的选择需考虑以下因素：●晶片直径D增加，半扩散角减小，声束指向性变好，声能集中，对检测有利；●晶片直径D增加，辐射的声能大，换能器扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小；如上所述，换能器晶片直径对声束指向性、远距离扫查范围都有较大的影响。
经过考虑，本课题选择晶片直径D为。
综合考虑，本课题最终确定选用压电陶瓷换能器，其工作频率为1MHz，晶片直径为。
2多普勒法测量原理多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。
超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。
入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。
由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。
图3多普勒超声波流量计测流原理图当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时，颗粒接收到的声波频率f1为：因此，声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为：以上各式中：θ为声波方向与流体流速v之间的夹角，f0为声源的初始声波频率，c为声源在介质中的传播速度。
若c>>vcosθ则式(11)、(12)是按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。
但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。
超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见图4。
换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。
换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。
平均多普勒频移Δ-f可以表示为：式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数；Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。
由上可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位，才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。
图4多普勒信息窗示意图3. 超声波发射模块超声波发射电路采用正弦波振荡电路产生1MHz的正弦波，用以驱动超声波发射换能器。
正弦波振荡电路通过自激产生振荡，它由放大电路和正反馈网络两部分组成的，为了得到单一频率的正弦波，并且使振荡电路稳定工作，电路中还应包含选频网络和稳幅环节，选频网络用以从很宽的频率中选择单一频率的信号送到放大器输入端，而将其他频率的信号进行衰减，稳幅环节用以稳定振荡的幅度，抑制振荡中产生的谐波。
石英晶体振荡电路随时间和温度的漂移要小很多，具有很高的稳定性和品质因数、很小的频率误差，因此采用石英晶体振荡电路产生所需正弦波。
电路如下：4 .超声波接收模块4.1 选频放大电路超声波发射电路产生的1MHz的正弦波信号经由发射换能器入射到流体中，被流体中的颗粒散射，接收换能器接收到的信号一部分是颗粒散射的含有流速信息的信号，一部分是直接耦合到接收换能器上的发射信号及噪声信号。
含有流速信息的信号一般很微弱,在毫伏级，不能满足后续解调电路对输入信号的要求，而直接耦合到接收换能器上的发射信号及噪声信号也应该滤除掉，因此，选用选频放大器，通过设置中心频率及带宽保留并且放大有用信号，滤除杂波。
如图4.4所示为回波选频放大电路，电感L1与C31电容组成LC并联谐振回路，作为三极管的集电极负载。
只有当谐振频率与电路工作频率相等时，并联谐振回路的阻抗才呈现出最大值，并且为纯阻性，此时输出电压幅度最大，而在其他频率时集电极等效阻抗很小，输出电压幅值也很小，从而起到选频作用。
图4.4 选频放大电路回路谐振频率由LC选频放大器的谐振频率决定，即式（4－1）式（4－2）其中，为回路的品质因数，为电感的电阻。
当>>1时，式（4－3）回路在谐振时的等效电阻：式（4－4）带宽：式（4－5）回波信号主要是由直接耦合到接收换能器的发射信号和经颗粒散射之后的信号组成，散射信号的频率等于发射信号频率加上或减去多普勒频移量，由于多普勒频移小于15KHz，因此选取为1MHz，带宽100 KHz，此时品质因数为10。
根据式(4－2)，适当选取电感与电容，可满足电路的选频要求。
4.2 解调电路经选频放大后的回波信号成分主要是本振信号和含有流速信息的回波信号，为了提取多普勒频移，考虑利用乘法器的混频原理来解调，即两个不同的频率信号经过乘法器混频以后产生新的频率信号。
设基准信号为式（4－6）调制信号为式（4－7）混频后的信号为式（4－8）令，显然采用乘法器解调，混频后的信号主要是多普勒频移(一般不超过15KHz)和2MHz左右的和频信号及高次谐波，因此只需要用低通滤波器滤除掉高频信号就可以得到所需要的多普勒频移信号。
其外围电路如图4.6所示，回波信号（频率为）经选频放大后送至差分放大器，基准信号（频率为）由前述超声波发射电路提供，用于控制恒流源电流，实现放大后的回波信号与基准信号相乘，同时抑制本振信号，具有负反馈电阻的镜像恒流源电路是为展宽动态范围而设，差分放大器的输出信号中含有两种频率成分：＋及－，后者即为多普勒频移。
图4.6 解调电路4.3 低通滤波电路解调电路的输出信号包含多普勒频移信号和高频信号，因此要从解调电路的输出信号分离出多普勒频移，需要利用低通滤波器滤除高频信号。
滤波器可以用电阻、电感和电容构成无源滤波器，也可以使用运放构成有源滤波器，与无源滤波器相比，有源滤波器的效果好，特性效果曲线更陡峭，而且输入、输出阻抗易于匹配，频率特性调节方便，因此采用有源滤波器，其电路设计如图4.7所示。
图4.7低通滤波器电路该低通滤波器低频增益为1。
令，，则其截止频率为式（4－9）由于多普勒频移信号不超过15KHz，因此设定其截止频率为20KHz。
其特性曲线如图4.8所示。
图4.8 低通滤波器特性曲线4.4 信号放大电路经过解调和滤波之后的多普勒频移信号为微弱信号，幅度在十几到几十毫伏，因此在送入A/D转换电路之前需要进行放大。
由于采用一般运放，一级放大倍数不能过高，因此设计了两级放大，其电路如图4.9所示。
电路采用运放构成反向放大器，为进一步对高频信号进行衰减，在每级放大电路的反馈电阻上并联了一个小电容，放大电路的增益为：式（4－10）令，，，则对每一级放大电路其幅频特性相同，则两级放大电路幅频特性为：式（4－11）上限截止频率为：式（4－12）对于多普勒频移信号，其频率较低，增益近似为：，对于其中的高频信号，反馈电阻所并联的电容阻抗较小，放大电路的增益也较小。
由于多普勒频移信号不超过15KHz，因此设计该放大电路的上限截止频率为30KHz，增益为34dB。
由于A/D转换的输入要求在0－5V，因此对输出信号加了偏置电压（2.5V）用以抬高输出信号的直流电平，使输出信号幅度在0－5V之间，满足后级A/D要求。
图4.9 放大电路4.5A/D采样模块模数转换器(A/D)是数据采集的关键，直接关系到采集系统的性能、速度。
因此，要根据系统的要求合理的选择A/D。
选择A/D时，一般主要考虑的因素是精度和速度。
精度与系统中所测量控制的信号范围有关，转换器位数应该比总精度要求的最低分辨率高一位。
速度由输入信号的最高频率来确定，要保证转换器的转换速率高于系统要求的采样频率。
在本系统中所要采集的是多普勒频移信号，其频率不大于15KHz，为满足采样定理，要求采样频率应在30KHz以上。
鉴于以上考虑，系统采用AD公司生产的并行高速A/D芯片AD9221，它具有1.5MHz采样频率，12位的分辨率，完全可以满足系统对精度和速度的要求。
另外，AD9221还具有高信噪比、低失真度、低功耗的特点，可单电源5V供电，输入信号范围可以调节，且如果输入信号超出或低于可测范围，则会产生溢出报警，因此可以通过查询溢出报警引脚来检测输入电压幅度是否超出测试范围。
其与单片机的连接电路如图4.8所示。
12位数据引脚与单片机的P1和P2口相连接，A/D的时钟信号和溢出报警信号由单片机的P3口控制。
芯片内部设有电压基准电路，如果想改变参考电压的范围可以外接电压基准芯片，图4.10所示的参考电压外围电路使用芯片本身的电压基准，其输入电压的范围在0－5V。
图4.10 A/D采样电路芯片进行A/D转换和数据输出都只由一个时钟信号来控制，其时序如图4.11所示。
在时钟的上升沿时，A/D开始进行转换，当在时钟的下降沿时，即可读取电压转换数据。
这样便可以通过控制时钟信号的频率来控制A/D采样的频率。
图4.11 A/D转换时序在采用周期图谱分析法时，A/D的采样频率所引起的测量误差为：式（4－13）式中，为信号频率；为测量到的信号频率；为频率分辨率；为采样频率。
N为采样点数。
测量相对误差为：式（4－14）为了提高测量精度，要降低采样频率，增加采样点数。
一方面，采样频率的减小是有限度的，要满足香农定理；另一方面，点数增加则增大计算量和数据存储量。
在采样频率和采样点数一定的情况下，信号频率越低，测量误差越大。
若在整个信号范围内用同一采样率，计算精度由信号最低频率时的精度决定。
由于系统采用单片机作为运算和存储单元，其运算速度和存储空间有限，因此采样点数的增加是有限的。
因此，为减小误差，系统在满足香农定量的前提下，对于不同的信号频率设置不同的采样频率，这样便可减小由采样频率所引起的误差。