基于湍流振动的声呐流量计的研究

利用声纳技术研究水中声速的实验方法引言声纳技术是一种常用于海洋、水下探测和通信的技术。

声纳通过发射声波并接收其回波来获取有关水下环境的信息。

在声纳技术中，准确测量水中声速是关键的一步。

本文将介绍利用声纳技术研究水中声速的实验方法，以帮助读者更好地了解该技术的运用。

实验需求进行声纳实验所需的器材包括声纳传感器、信号发射器、计时器和水槽。

声纳传感器负责接收回波信号，信号发射器则用于产生探测信号。

计时器用来测量信号发送和回波接收的时间差。

水槽则提供容器，并保持水的稳定。

实验过程首先，确保水槽中的水稳定且无杂质。

填充水槽时应避免产生气泡，因为气泡的存在可能会干扰声波传播。

将声纳传感器固定在水槽的一侧，并将信号发射器放置在水槽的另一侧。

两者之间的距离可以根据实验需求进行调整。

设置计时器以测量信号发送和回波接收之间的时间差。

该时间差将用于计算水中声速。

开始实验时，发射器发送一个探测信号。

信号从发射器传播到水中并与水中的各种因素相互作用。

部分能量会以声波的形式从水中传回传感器。

当传感器接收到回波信号时，计时器将记录时间。

这个时间差反映了声波在水中传播的时间。

重复实验多次以减小误差，并计算平均值来获得更准确的声速测量结果。

误差和改进进行声速实验时，误差是无法避免的。

例如，水温、水质等因素可能会影响声波传播的速度。

为了减小误差，可通过以下措施进行改进：1. 控制水温和水质。

在实验前，可以使用温度计监测水温，并确保实验开始时水温稳定。

此外，选取质量良好的水源，避免水中的杂质对声波传播的干扰。

2. 增加实验次数。

重复实验多次并计算平均值，可以减小随机误差的影响，获得更准确的结果。

3. 选择合适的声纳传感器和信号发射器。

确保使用的器材具有良好的品质和性能，以减小仪器本身引起的误差。

实验结果与应用通过以上实验步骤，我们可以获得水中声速的测量结果。

这一结果对于许多实际应用非常重要。

例如，海洋学家可以利用声纳技术来研究海洋中的生态系统和地质情况。

物理学概念知识：流体力学和流量计本文将介绍流体力学以及相关的流量计。

流体力学涉及到了自然界中的各种流动现象，无论是空气、水或者其他液态和气态的物质，都有其本身的流动特性。

而流量计则是测量流体流速和流量的仪器。

本文将从基本概念开始，详细阐述流体力学和流量计的原理、类型、适用范围以及应用领域。

一、流体力学的基本概念流体力学是研究流体静力学和流体动力学现象的一门学科。

静力学是指研究液体或气体在静止状态下的性质和规律，包括压强和密度等基本特性。

而流体动力学则是研究流体在不同速度下的运动规律，涉及到了流体的惯性、黏滞、湍流、流量和压力等。

同时，流体力学还可以应用于各种工程和科学领域，如汽车、飞机、航天器和海洋开发等。

在流体力学中，流量和流速是基本概念。

流量是指在单位时间内通过截面积的体积或质量，通常用Q表示。

而流速是指通过管道或通道中的流体在单位时间内通过截面积的体积或质量的速度，通常用v表示。

流量和流速有一定的数学关系，可以表示为Q=vA，其中A表示截面积。

在实际应用中，通常通过测量流速和截面积来计算流量，而流量计便是用于测量这一参数的仪器。

二、流量计的原理及类型流量计被广泛应用于工业生产和科研领域，用于测量不同流体中的流量和流速，在流程控制和流体管理中发挥着重要作用。

根据其原理和适用范围，流量计可以分为多种类型，其中比较常见的有以下几种：（一）涡街流量计涡街流量计适用于各种液体和气体，在流体流动中产生的涡流会使得装置中的叶片发生振动，并通过传感器转换为电信号，从而测量出流速和流量等参数。

涡街流量计测量数值稳定可靠、响应速度快，被广泛用于石油、化工、钢铁、水泥等领域。

（二）热式流量计热式流量计原理是利用电加热器发热后所需要的功率和流体热传导所需要的功率的比值来测量流量。

热式流量计适用于样品不具有润湿性、捷径尺寸约束大的工作条件下。

并且它能够测量非均质样品和泡沫状或者气体分散的标本。

（三）质量流量计质量流量计是根据麦克斯韦气体动力学理论建立的一种测量气体质量流量的仪器。

湍流流量计算湍流流量计算是一项重要的工程计算任务，它用于测量流体在管道中的流量。

湍流流量计算通过测量流体的速度和管道的截面积来确定流体的流量。

在本文中，我们将探讨湍流流量计算的原理、方法和应用。

一、湍流流量计算的原理湍流流量计算的原理基于流体力学中的一些基本概念和方程。

在管道中，流体的运动可以分为层流和湍流两种状态。

在层流状态下，流体呈现出流线型的运动，速度分布均匀，流体分子之间的相互作用较强。

而在湍流状态下，流体呈现出混乱的旋涡状运动，速度分布不均匀，流体分子之间的相互作用较弱。

根据流体力学的基本方程，湍流流量计算可以通过计算流体的平均速度和管道的截面积来确定。

其中，平均速度可以通过测量流体通过管道的时间和距离来计算，而管道的截面积可以通过测量管道的尺寸来确定。

湍流流量计算的方法可以分为直接测量和间接测量两种。

直接测量方法是通过在管道中安装流量计来直接测量流体的速度或压力差来计算流量。

常见的直接测量方法包括流速计和压力差计。

流速计是一种用于测量流体速度的仪器，常见的流速计有涡街流量计、超声波流量计和电磁流量计等。

这些流速计可以通过测量流体通过管道时产生的涡旋或超声波的传播时间来确定流体的速度。

压力差计是一种用于测量流体压力差的仪器，常见的压力差计有差压计和压力传感器等。

这些压力差计可以通过测量管道两侧的压力差来计算流体的速度。

间接测量方法是通过测量流体的其他参数来间接计算流量。

常见的间接测量方法包括热式流量计和质量流量计等。

热式流量计是一种基于流体传热原理的测量方法，通过测量流体传热过程中的温度变化来计算流量。

质量流量计是一种基于质量守恒原理的测量方法，通过测量流体的质量和密度来计算流量。

三、湍流流量计算的应用湍流流量计算在工程领域中有着广泛的应用。

它可以用于各种流体介质的流量测量，包括液体、气体和蒸汽等。

在工业生产中，湍流流量计可以用于监测和控制生产过程中的流体流量，以确保生产的稳定性和质量。

一种自动化声纳换能器测量系统设计与实现文章针对声纳换能器的测试需求，对声纳换能器自动测量系统展开研究，对声纳水池测量系统的基本组成和总体结构进行研究，给出了具体实现方法。

标签：自动化；声纳；换能器；测量系统1 概述在海军作战体系中，水下的信息化作战是非常重要的组成部分。

声纳作为水下信息化作战的核心装备，越来越多的受到各军事强国的重视。

声纳装备主要由水下分机（水声换能器）、发射机、接收机、电源机柜和显控台几个部分组成。

其中水声换能器是将发射机提供的脉冲电信号转换为声信号，并在水下向目标发射出去，声信号在水下传播，遇到目标及其他物体，部分波会反射回，经换能器转换为电信号，送接收机处理[1][2]。

水声换能器的性能指标能够直接影响整部声纳对目标的检测性能[3]，这是因为换能器获得的增益是实实在在的，如果水声换能器的设计和制作出现影响声纳性能的缺陷，则会直接影响声纳的正常工作。

在军用声纳领域，换能器的指标和性能是否满足使用要求，关系到全舰、全艇的作战性能甚至航行安全。

声纳换能器由于工作环境的特殊性，其老化速度和老化程度与使用时间和使用环境有着密不可分的联系。

为了保持声纳换能器的技术性能，需要对声纳水下声系统进行定期检测和维护。

2 声纳换能器电声测量内容和方法声纳水下换能器电参数测量包括：静态电容、绝缘电阻、阻抗、接收灵敏度及一致性、基元指向性和基元声源级测量，其中静态电容和绝缘电阻这两个项目可用通用电容表和绝缘表进行测量，阻抗的测量可以采用专用的阻抗测试仪或者数字电桥进行测量，接收灵敏度、一致性、指向性和基元声源级测量需要在水下完成测试。

2.1 灵敏度测量换能器自由场电压灵敏度一般是在球面波自由场中测量的。

声场布置满足远场条件，测量方法一般采用自由场比较法，需要一个辅助发射换能器（发射换能器），在一定频率上发射足够大的声信号，另外需要一个标准水听器并将其接收信号幅度作为参考。

在实际测量中，将待测换能器和标准水听器先后放入声场中同一位置处，让它们接收相同的声压，然后比较它们的开路输出电压。

多普勒声纳系统原理及应用
崔凯兴
【期刊名称】《科技广场》
【年(卷),期】2010(000)005
【摘要】多普勒声纳已成功应用于多种水下载体的导航.首先分析了水下导航的特点,推导了四波束配置多普勒声纳速度矢量的最小二乘估计,给出了误差速度的计算方法和物理意义,最后介绍了多普勒声纳在水下导航中的应用.
【总页数】3页(P169-171)
【作者】崔凯兴
【作者单位】海军驻昆明地区军事代表室,云南,昆明,650236
【正文语种】中文
【中图分类】TB559
【相关文献】
1.声学多普勒测流原理及应用研究 [J], 张春海;董晓冰
2.声学多普勒流速剖面仪的基本原理及应用 [J], 赵胜凯
3.声学多普勒流速剖面仪的基本原理及应用 [J], 赵胜凯;
4.宽带多普勒声纳系统原理及特性研究* [J], 黄雄飞;朱芳;周世华
5.多普勒效应的原理及应用 [J], 徐睦然
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2020年第1期声学与电子工程总第137期潜艇水动力噪声对声呐声基阵影响分析刘明星许欣然夏铁坚(声纳技术重点实验室第七一五研究所，杭州，310023)摘要为了研究水动力噪声对声呐声基阵的影响，文章对潜艇艄部不同基阵类型的水动力噪声进行仿真分析。

计算结果表明声基阵艄部的水动力噪声要大于尾部的水动力噪声，球阵的水动力噪声要小于圆柱阵的水动力噪声，共形阵接收到的水动力噪声最大，分析结果可为水听器的布阵设计提供参考。

关键词舗部导流罩；声呐基阵；脉动压力；水动力噪声随着潜艇的航速逐渐提高，潜艇在高速航行过程中声呐导流罩受到较大的来流压力，导致声呐罩外壁面产生湍流脉动压力引起结构振动，从而在内部基阵区域产生水动力噪声。

水动力噪声的辐射声功率与航速的6~7次方成正比该噪声在中高航速下是声呐基阵区域自噪声的主要成分［21。

准确描述声呐基阵区域的水动力噪声特征，是提高声呐的工作效率和降低基阵区域综合噪声的重要技术基础和依据。

对于存在固体边界的运动模型来说，其运动的外壁面上主要存在两种不一样的声源：一种是偶极子声源，主要与外壁面上的脉动压力有关，这是内部产生水动力噪声的主要来源;另一种是四极子声源，主要是由流场中的湍流漩涡运动以及发生的动量能量交换有关，这是内部产生流噪声的主要来源，湍流脉动直接辐射产生的噪声比脉动压力产生的水动力噪声至少低20dB［3］o舰艇航行都属于低马赫数运动，因此舰艇表面的湍流边界层内四级子声源引发的流噪声可以忽略不计，声呐导流罩内的自噪声以湍流脉动压力引起振动辐射噪声为主⑷。

高航速条件下，由于自噪声增加导致声呐接收信号的信噪比降低，使得潜艇的探测性能急剧下降,故有必要进一步分析潜艇的自噪声特性，为保障高航速下潜艇探测性能提供技术支撑。

一般来说，基阵自噪声主要包括机械噪声、水动力噪声以及螺旋桨噪声三种类型。

近年来，针对舰艇的机械噪声已经提出了许多有效的减振降噪方法，而对于水动力噪声的研究起初仅限于简化的模型o Dowell等人建立了弹性平板激励下的矩形腔声呐自噪声模型：刘孝斌同等人通过理论的模态法求解腔体内自噪声的结果与水槽中的腔体自噪声测试结果趋势大致吻合。

压电传感器阵列的声呐流量计应用系统设计李云龙(丹东东方测控技术股份有限公司,丹东118002)摘要:介绍了一种非接触式流量测量系统 声呐流量计,其具有精度高㊁量程大㊁安装方便㊁适应性好㊁使用寿命长等特点㊂声呐流量计分为两部分:一部分为流量计测量终端,主要由传感器阵列和前置放大器组成,此终端通过耦合于管壁外侧传感器带的各个阵元测量得到时域湍流脉动信号,经过前置放大器将各通道的模拟信号放大传输到后端的流量处理系统中;另一部分为主控系统,主要完成信号调理㊁信号采集㊁信号处理㊁结果输出功能㊂整个系统以实用㊁稳定㊁可靠为最终设计目标,在保证实现基本功能的基础上,尽量优化硬件设计和软件设计,降低系统成本㊂关键词:声呐流量计;传感器阵列;湍流脉动信号中图分类号:T N93文献标识码:AA p p l i c a t i o n S y s t e m D e s i g n o f S o n a r F l o w m e t e rB a s e d o n P i e z o E l e c t r i c S e n s o r A r r a yL i Y u n l o n g(D a n d o n g D o n g f a n g M e a s u r e m e n t&C o n t r o l T e c h n o l o g y C o.,L t d.,D a n d o n g118002,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h e p a p e r,a n o n-c o n t a c t f l o w m e a s u r e m e n t s y s t e m-s o n a r f l o w m e t e r i s i n t r o d u c e d.I t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h a c c u r a c y, l a r g e m e a s u r i n g r a n g e,e a s y i n s t a l l a t i o n,g o o d a d a p t a b i l i t y a n d l o n g s e r v i c e l i f e.T h e s o n a r f l o w m e t e r i s d i v i d e d i n t o t w o p a r t s.O n e p a r t i s t h e m e a s u r i n g t e r m i n a l o f t h e f l o w m e t e r.I t i s m a i n l y c o m p o s e d o f s e n s o r a r r a y a n d p r e a m p l i f i e r.T h e t e r m i n a l c a n m e a s u r e t h e t u r b u l e n t f l u c t u a t i o n s i g n a l i n t i m e d o m a i n b y e a c h e l e m e n t c o u p l e d t o t h e s e n s o r b e l t o u t s i d e t h e t u b e w a l l.T h e a n a l o g s i g n a l o f e a c h c h a n n e l i s a m p l i f i e d a n d t r a n s m i t t e d t o t h e b a c k e n d b y p r e a m p l i f i e r.T h e o t h e r p a r t i s t h e m a i n c o n t r o l s y s t e m,w h i c h c o m p l e t e s t h e s i g n a l c o n d i-t i o n i n g,s i g n a l a c q u i s i t i o n,s i g n a l p r o c e s s i n g,o u t p u t f u n c t i o n.T h e w h o l e s y s t e m i s p r a c t i c a l,s t a b l e a n d r e l i a b l e a s t h e f i n a l d e s i g n g o a l.O n t h e b a s i s o f g u a r a n t e e i n g t h e r e a l i z a t i o n o f b a s i c f u n c t i o n s,t h e h a r d w a r e d e s i g n a n d s o f t w a r e d e s i g n s h o u l d b e o p t i m i z e d t o r e d u c e t h e c o s t o f t h e s y s t e m.K e y w o r d s:s o n a r f l o w m e t e r;s e n s o r a r r a y;t u r b u l e n t f l u c t u a t i o n s i g n a l引言流量计是工业生产中必须检测的四大工艺测量参数之一,关系到生产过程的质量与安全㊂在工业现场应用的流量检测仪表不仅应用环境复杂多变,而且对其应用的可靠性和精确性要求也越来越高,既要满足工业工艺生产安全需求,又要满足工艺生产过程质量和计量需求㊂目前流量检测仪表按照原理有差压式㊁容积式㊁涡街式㊁电磁式以及超声时差法和多普勒频移法等,上述原理的流量检测仪表存在各种各样的问题,难以适应复杂多变的工业现场,例如流体不满管㊁高粉尘环境等㊂声呐流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度㊁压力㊁粘度㊁密度等参数的影响,又可制成非接触及便携式测量仪表,故可解决其他类型仪表所难以测量的强腐蚀性㊁非导电性㊁放射性及易燃易爆介质的流量测量问题㊂本文详细介绍了声呐流量计的基本原理和实现方法,在系统设计中,高度重视系统的稳定性:在硬件电路设计时采用复位电路保证系统的正常运行,对于电路中存在的相关干扰也采取了相应的措施㊂在软件设计时,采用温度补偿㊁二维傅里叶变换变换等方法尽量减小误差,提高系统的测量精度㊂1工作原理研究表明,流体分子到达管壁时具有的动能有90%以上转化为压力的形式,故压力是流体与管壁传递能量的主要形式㊂流体在管道中流动时会产生湍流,通过传感器阵列采集湍流涡团的脉动信息可以计算出涡团的流速,而涡团的流速即为流体的流速,从而通过流速得到流量㊂阵列信号采集处理图如图1所示㊂但由于时域信号噪声较大,直接计算会出现比较大的误差,因此将各个阵元检测的时域信号适当变换,从时域变换到波数频率域(即空间),得到信号的三维频谱图1 阵列信号采集处理图图,通过提取出频谱图中对流脊的斜率,可以准确地得到管道中流体的流速㊂k ω空间信号的三维频谱图如图2所示㊂图2 k ω空间信号的三维频谱图图4 数字电路总体框图相对于其他测量方法无法精确测量的流体,如多相流㊁组分比不均的固液混合流体等,这种测量原理具有无可比拟的优势,并且还能确保很高的测量精度㊂2 产品设计2.1 主控系统流量计主控系统负责完成信号调理㊁信号采集㊁信号处理㊁结果输出功能㊂信号调理单元以可变增益放大器组合为核心,前端设计有抗混叠滤波器;信号采集单元须完成8路音频模拟信号采集,由F PG A 控制协同8路传感器信号的同步采集,实现快速的实时性要求;信号处理单元采用D S P 阵列算法对采集到数据进行处理,通过专有编制的流量算法模型实现流量结果输出;以太网通信㊁键盘显示控制㊁模拟/数字信号输出(M o d b u s /R T U R S 485/232通信)等辅助功能外围单元设计以单片机为核心来完成㊂主控系统软件操作系统选择基于L i n u x 的操作系统,其优点在于:内核开放,能够自主进行各种函数和库的调用和编译;不涉及到软件任何知识产权的侵权问题;L i n u x属于更新比较快的主流操作系统,其内核更新后可实现快速编译更新等㊂基于A R M 的微机控制子系统物理模块如图3所示㊂C P U 用于控制数据读取存储和运算,并控制输入输出设备I /O 模块,通过U S B 接口与数据处理模块F P G A /D S P 系统连接㊂图3 基于A R M 的微机控制子系统数字电路总体功能框图如图4所示,A /D ㊁D /A 芯片均采用双通道处理处理芯片,通过F P G A+D S P 进行数据处理㊂数字电路与微机控制系统通过U S B 接口芯片进行控制信息通信㊂F P G A+D S P 模块中包含阵列处理算法框图,传感器阵列数据经过转换输入进行变换和识别处理,并进行精度修正处理得出相应流速数据,通过U S B 接口和C P U 通信进行历史数据叠加,得到总体流量信息㊂2.2 P V D F 阵列传感器2.2.1 P V D F 压电薄膜的压电方程当P V D F 压电薄膜被施加外力时,由于晶体内部的不对称性,正负电荷的中心开始偏移,它的上下两个表面会产生极性相反㊁大小相等的电荷,这种现象称为压电效应㊂当作为传感器时,P V D F 将外界的力学量转化成电信号输出,压电薄膜满足第一类压电方程:D =d 31σ1 其中,D 为电位移矢量,d 31为薄膜的压电常数,σ1为薄膜所受管周方向的应力㊂2.2.2 传感器的设计和制作阵列传感器由8个压电薄膜传感器组成,将8个P V D F 压电薄膜分别粘贴在8条长铜片上,制作成传感器带㊂每条铜片间隔距离为80mm ,铜片厚度为0.1mm ㊂传感器带两端用夹具固定,然后将传感器带安装在包裹有防静电薄膜的管道上,通过螺栓和弹簧将传感器带紧紧包裹固定在管道圆周方向上㊂弹簧的主要作用是使得各条P V D F 压电薄膜受力均匀,防止受力不均对实验结果有影响㊂用扭力扳手以一定的力安装好传感器带之后,将8对传感器电极引线分别与前置放大电路的电缆连接,通过电缆将传感器的电信号接入前置放大电路中㊂整个传感器阵列外面需要用金属材料进行严密的包裹,以防止环境中的电磁干扰㊂图5所示为实验中所用到的铜片和压电薄膜㊂铜片两头较中间部分宽,压电薄膜粘贴在中间部分㊂当铜片两端受到拉力作用时,中间受到的应力要比两端部分大,这样压电薄膜能够更好地紧紧贴在铜片上,更好地采集湍流信号㊂同时为了防止应力集中使得铜片断裂,在由两端向中间过渡的部分设计成圆弧㊂注意压电薄膜粘贴在铜片上时,要保持铜片干净㊂图6所示为防静电薄膜㊂在传感器带安装到管道上之前,需要在管道上包裹一层防静电薄膜,它主要起到绝缘作用,同时能让传感器带与管道尽可能光滑地接触在一起㊂管道不光滑会导致传感器带不能与管道充分接触,甚至会破坏传感器带㊂防静电薄膜的材料是一般的聚氯乙烯或聚乙烯材料㊂图5铜片和压电薄膜图6 静电薄膜图7所示为传感器带效果图,8个传感器被螺栓和弹簧等间距地固定在管道圆周方向上㊂压电薄膜粘贴的位置要一致㊂传感器外部用金属外壳封装好,外壳起到电磁屏蔽的作用,如图8所示㊂图7安装后的传感器带效果图图8 传感器整体效果图2.3 信号处理主控系统对于经过传感器被动采集和前端放大的信号,后续需要经过信号调理和处理得到相应流速数据,进而获得取值在精度范围内的流量数据㊂后续的功能及物理信号处理模块如图9所示㊂图9 声呐流量计信号处理及实现系统8通道应变测量传感器获得的湍流振动信号经过滤波器完成滤波后进入模/数转换器转换为数字信号,即完成数字信号采集㊂然后经过适当数据采集调理,转换为8通道时域信号㊂此信号包含管壁外形变的时域信号的空间分布,即S (t ,n),经过二维傅里叶变换变换到频率波数域S (ω,k),得到离散傅里叶频域信号,通过数据累加器形成单一的二维频率-波数域信号㊂此信号需要输入微型处理芯片进行D S P 处理,这一部分D S P 属于阵列处理单元模块,由阵列处理器和对流脊识别器组成,通过数字处理器的处理算法得到二维频率波数域信号S (ω,k)中对流脊的斜率,由之前的原理可知,此斜率为流动流体速度截面的均值,即v =ω/k ,从阵列处理单元的信号处理中可以得到流体中的声速信号㊂计算得到的流速速率输入到分析器进行流速校准并进行积分运算得到整体流体体积流量数据,并实时显示㊂在另一路传感器信号上,由管壁上的流体压强㊁温度传感器接收到的压强温度信息输入到含气率处理单元中,连同阵列处理单元中的液体声速值分析得到流体中的气体含量体积比㊂3 仪表测试及数据分析声呐流流量计采用标准表法确定检测精度,试验装置如图10所示,将声呐流量计安装到对应的试验管路上,启动水循环系统,调整泵的频率㊁调节阀开度㊁介质流速及管线内压力,调节到检定流量并保持稳定,使液体流经声呐流量计和电磁流量计,比较两者的输出流量值,从而确定声呐流量计的计量准确度和重复性㊂试验要求在1.0~4.0m /s 的流速测量范围进行标定和测试,测量范围内选择7个流量标定点,同步采集到的电磁流量计与声呐流量计的量值送入计算机系统,利用计算机进行数据处理,通过对比计算得到测量精度㊂图10 声呐流量计实验系统表1为声呐流量计对比测试数据,流量在1.0~4m /s 范围内,声呐流量计的误差均值不高于0.13%,由此可以反映出两种流量计的波动趋势相近,声呐流量计能够准确反映流量变化情况,满足工艺现场自动控制要求㊂结 语随着我国经济发展转变,人力资源成本的不断增加以及新技术的不断涌现,大型工业企业要求生产设备的自动化㊁智能化程度越来越高,作为具有国际先进水平的流体介质的计量设备,声呐流量计将填补国内高端检测仪表领域的空白,促进声呐检测关键技术国产化和产业化的实现,带动工业声呐检测技术的推广及应用,促进国内高端流量仪表检测行业的迅猛发展㊂同时,声呐流量计属于流量计市场的高端产品,在流量检测精确度和可靠性方面具有常规流量计所不具有的专有技术优势,可广泛应用于冶金矿山㊁石油㊁天然气㊁油砂加工㊁发电㊁化工㊁纸浆及造纸㊁表1 声呐流量计对比测试数据组别电磁流量计读数/m ㊃s-1声呐流量计读数/m ㊃s-1误差/%误差均值/%第一组1.0031.0050.181.0751.073-0.221.0271.0280.091.0141.013-0.071.0181.015-0.32-0.07第二组1.5641.5690.341.4941.487-0.451.5581.5630.341.5381.5450.441.5221.521-0.090.12第三组2.0892.0930.192.0532.046-0.341.9831.9870.202.0752.065-0.482.0262.0320.30-0.03第四组2.5752.565-0.392.5112.505-0.242.5032.510.282.4932.4970.162.5182.509-0.36-0.11第五组3.0433.039-0.133.0623.06-0.073.0243.018-0.202.9942.9960.073.0333.023-0.33-0.13第六组3.5133.512-0.033.5113.507-0.113.5133.5150.063.4933.4970.113.4983.4990.030.01第七组4.0094.0130.104.0114.008-0.074.0184.015-0.074.0084.010.054.0154.013-0.05-0.01供水及废水处理等行业,其市场应用前景广阔㊂参考文献[1]张卿杰.手把手教你学D S P 基于M S 320F 28335[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2015:454.[2]李昆,汤荣铭,许宏庆.基于振动原理的无接触流量测量实验及模拟研究[J ].实验流体力学,2007,21(1):7781.[3]唐璜,缪璇,赵栋.基于微分干涉原理的全光纤水下侦听技术[J ].光学仪器,2014,36(2):107110.图7 S T M 32程序流程图有数据丢失㊂由于设备需要使用外部中断唤醒,所以此电子墨水屏显示牌中的S TM 32采用停机模式㊂S TM 32休眠后通过N F C 芯片产生的通信中断唤醒设备,当有N F C 设备对M 24S R 64Y 执行写入操作时,M 24S R 64Y 的G P O 引脚将产生写中断,S TM 32收到此外部中断信号后,进入唤醒流程㊂在唤醒中断的过程中首先恢复外部高速晶振,然后S TM 32判断M 24S R 64Y 通信是否完成,如果通信完成则读取M 24S R 64Y 中的数据,判断数据内容是否有效,若数据无效则再次进入休眠,如果数据有效则控制电源模块打开字库电源和墨水屏电源以及设备初始化,并开始解析和显示通过N F C 传入的内容,当数据显示结束后再次自动进入休眠状态㊂结 语本文针对超市货物繁多及超市标签更新频率快的特点,结合N F C 芯片的双总线模式,以S TM 32为主控制器,研制出了一种省时省力㊁易于更新的电子墨水屏显示牌,为超市的商品价格标签更改提供便捷的方式,可实现标签的读取㊁写入㊁保存和查询等功能㊂本电子墨水屏显示牌还可应用于其他电子㊁广告㊁信息㊁艺术等领域,以极大地减少更改信息时繁琐的工作量㊂参考文献[1]S h a h J ,J r R M B .T o w a r d s e l e c t r o n i c p a p e r d i s p l a ys m a d e f r o m m i c r o b i a l c e l l u l o s e [J ].A p p l i e d M i c r o b i o l o g y &B i o t e c h n o l o g y,2005,66(4):352355.[2]彭志鑫.微胶囊型电子墨水及其有源动态驱动器件设计[D ].杭州:浙江大学,2012.[3]黄义涌,刘文江.一种基于N F C 的价格牌电子标签:中国,C N 103778455A [P ].20140507.[4]张卓,邵喜斌,王刚,等.电子纸显示技术的应用与市场情况[J ].光机电信息,2009,26(11):1729.[5]赵晓鹏,郭慧林,王建平.电子墨水与电子纸[M ].北京:化学工业出版社,2006.[6]C o m i s k e y B ,A l b e r t J D ,Y o s h i z a w a H ,e t a l .A n e l e c t r o -p h o r e t i c i n k f o r a l l p r i n t e d r e f l e c t i v e e l e c t r o n i c d i s p l a y s [J ].N a t u r e ,1998,394(6690):253255.[7]S i e g e n t h a l e r E ,W u r t z P ,B e r g a m i n P ,e t a l .C o m p a r i n g re a d -i n g p r o c e s s e s o n e i n k d i s p l a y s a n d p r i n t [J ].D i s p l a ys ,2011,32(5):268273.[8]S i e g e n t h a l e r E ,B o c h u d Y ,B e r g a m i n P ,e t a l .R e a d i n g on L C D v s e I n k d i s p l a y s :e f f e c t s o n f a t i gu e a n d v i s u a l s t r a i n [J ].O p h t h a l m i c &P h y s i o l o g i c a l O pt i c s ,2012,32(5):367374.[9]F r a n c i s L ,H a n c k e G ,M a ye s K.P r a c t i c a l N F C P e e r t o P e e r R e l a y A t t a c k U s i n g Mo b i l e P h o n e s [C ]//R a d i o F r e -q u e n c y I d e n t i f i c a t i o n :S e c u r i t y a n d P r i v a c y Is s u e s ,I n t e r n a -t i o n a l W o r k s h o p ,2010.[10]刘浩.基于N F C 技术的近场通信应用探索[J ].中国无线电,2010(12):3435.[11]石旭东.基于A n d r o i d 平台的N F C 技术的研究与实现[J ].软件,2013,34(1):6468.[12]R o l a n d M ,L a n g e r J .D i g i t a l S i gn a t u r e R e c o r d s f o r t h e N F C D a t a E x c h a n ge F o r m a t [C ]//S e c o n d I n t e r n a t i o n a l W o r k -s h o p on N e a r F i e l d C o mm u n i c a t i o n .I E E E ,2010:7176.[13]S TM i c r o e l e c t r o n i c s .S TM 32F 1R e f e r e n c e m a n u a l ,2012.黄虎(副教授),主要研究领域为电子信息技术开发与研究;陈诗瑶(硕士研究生),主要研究领域为电路设计与实现㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-10-23) [4]徐英华.流量计量[M ].北京:中国质检出版社,2012:137167.[5]梁国伟,蔡武昌.流量测量技术及仪表[M ].北京:机械工业出版社,2005.[6]机械设计手册编委会.机械设计手册[M ].北京:机械工业出版社,2004.[7]徐菲.双/多基地声呐及其研究概况[J ].科技广场,2017(8):7377.[8]G a l k i n O P ,P o p o v R Y ,S i m a k i n a E V.S pa t i a l c o r r e l a t i o n o f s o u n d f i e l d s f r o m u n d e r w a t e r e x pl o s i o n s i n t h e b a r e n t s s e a [J ].A c o u s t i c a l P h ys i c s ,2004,50(1):3036.[9]V a d o v R A.T h e d i s c o v e r y of t h e u n d e r w a t e r s o u n d c h a n n e l ,e x p e r i m e n t a l s t u d i e s ,a n d r e gi o n a l d i f f e r e n c e s [J ].A c o u s t i c a l P h ys i c s ,2007,53(3):268281.[10]许文丽,王命宇,马君编.数字水印技术及应用[M ].北京:电子工业出版社,2013:224.李云龙(高级工程师),主要研究方向为工业在线检测仪器仪表㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-10-30)。

DSP在声呐流量计中的应用作者：李云龙来源：《中国新技术新产品》2018年第20期摘要：基于DSP芯片TMS320F28335设计实现了一种声呐流量计，其具有精度高、适应性好、操作方便和成本低廉等特点。

整个系统以稳定、实用、可靠为设计目标。

在保证实现基本功能的基础上，充分优化硬件电路和软件架构。

本系统充分利用了DSP的高速处理信号的特性，在提高测量精度的同时，还简化了硬件电路设计，从而降低了系统的生产成本。

关键词：TMS320F28335；声呐；流量计中图分类号：TP216 文献标志码：A0 引言流量是工业生产过程中的重要参数，流量测量数据是企业进行生产自动化控制、进行经济核算的重要依据。

随着工业检测领域对流量检测仪表的性能要求越来越高，现有的常规流量计，如基于差压式、容积式、涡街式、电磁式、超声时差法和多普勒频移法原理的流量仪表，由于在不同程度上受限于流体的物理性质、流体流动的特性、安装工艺条件、维护需求及经济性等原因，不能完全适用复杂的管道流体应用环境。

随着声呐检测技术的发展，研发高可靠性、高精确性的声呐在线流量计，成为市场的迫切需求。

声呐流量计采用非接触式测量，其流量测量准确度几乎不受测量介质的压力、浓密度、温度等参数的影响，同时该测量方式可解决其他流量仪表所难以测量的易结垢、非导电性、强腐蚀、易燃易爆及介放射性介质的流量测量问题。

本文详细介绍了声呐流量计的工作原理和产品设计，在借鉴吸收国外声呐测量技术的基础上设计了基于TMS320F28335单片机的流量检测仪表。

声呐流量计是目前最先进的流量检查技术，目前国际上只有美国一家公司拥有基于此原理的产品。

在产品设计中高度重视系统的稳定性，在软件设计时，采用温度补偿、傅里叶变换等方法修正测量精度。

1 工作原理由模拟计算及实验所测信号可以发现，单纯从时域的湍流脉动信号难以得到与流速相关的信息。

傅里叶变换可以很方便地得到各个通道信号的频域信息，但是由于空间只有8个传感器得到的8个信号数据，难以通过二维傅里叶变换同时得到时间和空间的频率信息。