【摘 要】
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油膜厚度测量系统是监测机械设备润滑状态的重要工具。近年来,基于超声脉冲反射法的油膜厚度测量理论成为了国内外学者的研究热点。但针对该测量方法的系统设计相对较少。因此,本文以基于超声脉冲反射法的测量系统为研究对象,对测量系统的硬件电路设计及反射信号处理流程和方法展开研究。基于钢-油-钢三层介质模型建立了声波垂直入射时的谐振模型和弹簧模型,分析了两种模型反射系数与超声波入射频率的关系,讨论了两种模型的适
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油膜厚度测量系统是监测机械设备润滑状态的重要工具。近年来,基于超声脉冲反射法的油膜厚度测量理论成为了国内外学者的研究热点。但针对该测量方法的系统设计相对较少。因此,本文以基于超声脉冲反射法的测量系统为研究对象,对测量系统的硬件电路设计及反射信号处理流程和方法展开研究。基于钢-油-钢三层介质模型建立了声波垂直入射时的谐振模型和弹簧模型,分析了两种模型反射系数与超声波入射频率的关系,讨论了两种模型的适用范围;同样对三层介质模型建立了声波斜入射时的弹簧模型,分析了反射系数与超声波入射角度的关系。基于脉冲反射法设计并制作了超声油膜厚度测量系统的硬件电路。详细阐述了硬件系统中各模块的设计思路,包括换能器驱动电路、前置滤波电路、放大电路、信号隔离电路、A/D采集电路。最后完成PCB布局加工及信号调试。在硬件设计的基础上利用Quartus II开发软件完成了包括数字信号滤波、数据采集及存储、上位机数据交互等功能模块的FPGA程序设计。此外,借助MATLAB的GUI工具包制作了超声油膜厚度测量系统上位机,通过FPGA和MATLAB串口通信,将回波信号传输至上位机完成数据抽取、快速傅里叶变换、反射系数计算及油膜厚度值计算等数据处理。最后搭建了静态油膜厚度测量平台,完成了静态油膜测量实验。实验测量结果和理论计算结果吻合良好,验证了基于脉冲反射法的超声膜厚测量系统设计的合理性。该系统避免了传统测量系统中示波器的使用,集数据采集和处理于一体,降低了系统成本,精简了信号处理流程,论文研究结果对超声膜厚动态实时监测系统的进一步研究打下了一定基础。
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