水深监测换能器收发电路的关键技术研究

论文摘要

随着国内港口航运业的快速发展,港口日进出客货量迅速增长,其对港口航道的安全性要求日益增高,如何以经济实用的方式保证航道具有足够的通航水深成了当务之急。传统的测量方法是通过在大体积的测量船上安放测深仪等测量设备对各个标定地点进行测量,但是因其在测量时需要占用航道资源,影响通航,无法长时间连续测量,不具有实时性,为解决这一问题,我们提出了一种新的监测方法。课题源自某港口水深监测项目,该项目要求系统能够实时对航道水深进行监测,并将测得的水深数据传输到监控中心进行显示。系统主要由三部分组成,分别为换能器收发电路设计与实现、数据处理单元及陆上监控中心,本课题为第一部分,即换能器收发电路的设计与实现。在换能器发射电路方面,通过对换能器工作原理及发射电路功能的分析,设计了一套以单片机为控制核心,可对发射的超声波脉冲宽度进行可调的发射电路。根据系统的功能需要,发射电路包括电源电路、电源监视、GPS同步单元、单片机控制电路、脉冲功率控制电路、信号生成电路及匹配电路几个部分。脉冲控制电路中的电压调整电路放弃了传统的电源模块形式,使用电容充电电路使得该部分的使用寿命得以延长。在接收端,换能器的信号经过放大、滤波、自动增益控制后传向下一级。集成滤波芯片的使用简化了电路的设计,且减少了因器件精度而存在的固有误差;而自动增益控制则保证了信号幅度的适中。经过以上处理的信号通过隔离运放传向数据处理模块,进行数据分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 水深监测方法简介
• 1.2.1 原始测量方法
• 1.2.2 现代测量方法
• 1.3 系统测量原理
• 1.4 课题主要研究内容
• 1.5 论文组织及章节安排
• 第2章 压电换能器的特性分析及设计与制作
• 2.1 换能器特性分析
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电换能器材料
• 2.1.3 压电换能器的主要性能指标
• 2.2 换能器的设计制作
• 2.2.1 压电元件指标
• 2.2.2 频率及开角选择
• 2.2.3 制作与测试
• 第3章 换能器发射电路设计
• 3.1 换能器发射电路的总体结构
• 3.2 电源监视
• 3.2.1 比较电路设计
• 3.2.2 数据传输模块
• 3.3 高精度GPS同步单元
• 3.4 单片机控制电路
• 3.4.1 单片机部分
• 3.4.2 串口通信电路
• 3.4.3 软件部分
• 3.5 脉冲功率控制
• 3.6 信号生成
• 3.7 匹配电路设计
• 第4章 换能器接收电路设计
• 4.1 换能器接收部分总体结构
• 4.2 换能器接收单元分析
• 4.2.1 低噪声放大
• 4.2.2 带通滤波
• 4.2.3 增益控制
• 4.2.4 隔离输出电路
• 第5章 设备调试与结果分析
• 5.1 发射电路的调试
• 5.1.1 发射电路各环节调试
• 5.1.2 PCB制作及调试
• 5.2 接收电路的调试
• 5.3 收发电路对整体测量精度影响分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历