基于超声波技术的温度传感器设计

张天恒，凌　旭，张兴红

(1．重庆理工大学，机械检测技术与装备教育部工程研究中心，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆　400054；2．湖南天雁机械有限责任公司，湖南衡阳　421005)

0　引言

温度是一个基本的物理现象，它是生产过程中应用最普遍、最重要的工艺参数[1]。温度传感器是现代测试和工业过程控制中应用频率最高的传感器之一。当前，主要的温度传感器，如热电偶、热电阻及辐射温度计等的技术已经成熟，且各自都有优点。例如，热电偶的可测温度范围最宽，而热电阻的测量线性度最优，热敏电阻的测量精度最高[2]。但是它们不能满足许多领域的要求，尤其是高科技领域。因此，各国专家都在开发各种新型温度传感器及特殊的实用测量技术。

超声波具有在超过±3 000 ℃的高低温下传播特性，理论上超声波测温是不受温度限制的；在许多固体与液体中，声速一般随温度的变化而变化，在高温时固体中的声速变化率最大，而在低温时气体中的声速变化率最大；超声波频率很高，在测量中可有效避免混入噪声，使测量精度显著提高，而且超声波的指向性好，可使声波的干扰和反射最小，满足精确测量的要求[3]。因此，有必要利用超声波技术研究高精度的超声波温度传感器。

1　超声波温度传感器原理

超声波温度传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是指频率高于20 kHz的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生，它具有频率高、波长短、绕射现象小，方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。可使声波的干扰和反射最小，满足精确测量的要求。

超声波温度传感器以介质本身作为敏感元件，当进行温度测量时，通过测量超声波在被测介质中的传播速度，即可间接测得被测介质温度[4]。

超声波在理想的气体中的传播可以认为是绝热过程，其传播速度v为

(1)

由速度与传播时间的关系(v=d/T)可得：

(2)

式中：R为气体常数；r为定压比热容和定容比热容之比，r=cp/cv；M为分子质量；d为超声波传播距离；T为超声波传播时间；ρ为气体分子密度；p为气体压强；Q为绝对温度。

对于空气来说，影响声速的最主要敏感因素是温度，且两者关系如下：

(3)

由式(3)可知，只要测出气体中声波的传播速度v，便可求得温度Q，这就是超声波测温时，当测温介质为空气时的测温原理。

2　超声波温度传感器设计

2．1超声波温度传感器的结构设计

超声波温度传感器的结构如图1所示，它主要由超声波换能器、管体，以及在管体中被密封的传播介质3部分组成。超声波换能器用于发送和接收超声波信号，管体是超声波传播的通道，传播介质是超声波传播的载体，可以是气体、液体或固体。在测量中，当环境温度一定时，超声波传播速度也将保持不变，当环境温度发生变化时，热量将通过管体传递到管体内部的介质，当超声波信号通过时，由于温度的变化，传播速度也将发生变化。通过定时激励超声波换能器发出超声波信号，并及时对接收到信号进行采集，再通过采集的数据可以分析出超声波传播的时间，从而得到超声波的传播速度。替换超声波温度传感器内部的介质，可以实现不同精度和量程的测量。

图1　超声波温度传感器的结构设计

2．2超声波温度传感器的硬件电路设计

传感器硬件电路设计在超声波温度传感器设计中占有重要位置。设计的合理性直接影响系统运行的可靠程度，电路的性能是超声波温度传感器高分辨率与高精度的最根本保证。

2．2．1信号处理电路设计

高精度超声波温度传感器的信号处理电路是基于FPGA的硬件设计，如图2所示，包括换能器驱动电路、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、D/A转换电路以及FPGA控制电路，还有高速数据采集控制、正弦信号发生器、通道切换控制逻辑、NIOS处理器与人机交互电路。

图2　信号处理电路设计框图

2．2．2驱动电源设计

超声波信号必须达到一定的幅值和频率才能产生所需要的超声波信号，超声波换能器将采集到的信号有效地转换成电信号，由于在传播过程中信号的衰减，需要进一步的滤波放大，使信号满足测量的需求。同时，为研制测量范围更广、精度更高的超声波温度传感器，换能器可能随时发生改变，超声波的传播频率也可能发生调整，因此设计可调超声波驱动电路，来满足测量的需求。图3为驱动电源框图。

图3　驱动电源框图

2．2．3FPGA的选型与A/D转换电路

由于超声波在介质中传播速度很快，传播时间非常短，这对超声波信号处理电路中的数据采集提出很高的要求，保证时间测量的精度达到ns级，甚至ns级以上。超声波数据采集系统设计是超声波温度传感器设计中最核心的部分，因此需选用符合要求的FPGA芯片和A/D转换电路来构建数据采集系统，达到高速高分辨率的实时数据采集的目的。

FPGA采用cyclone系列EP2C5T144I8器件。其内部包括2个锁相环、8个全局时钟网络、4 608个可编程逻辑单元，最高输出速率可达622 Mbit/s，I/O口丰富，这对以后超声波温度传感器功能扩展使用来说是非常方便的，而且不需要改变硬件电路就可以实现系统需要的一些功能[5]。

在设计时应特别注意，A/D转换电路的数字输出应与模拟输入良好地隔离，放大电路和A/D转换电路相邻引脚间距应在2 mm以内。A/D采用12位双通道、流水线结构、低功耗的ADC12DL080器件，采样频率80 MPS[6]。图4为电路原理图。

3　超声波温度传感器的软件算法设计

软件设计将针对该系统进行编程，完成对采集数据的分析与处理[7]。其核心部分是超声波传播时间的精确测量算法。

3．1传播时间的精确测量算法

超声波传播时间的测量精度直接影响着温度测量精度，因此传播时间的精确测量算法是超声波温度测量系统软件设计的核心部分，文中采用软件细分插补算法[4]。对于超声波传播时间的精确测量即是测量超声波换能器从发射到接收所用的时间。由于信号的发生采用基于dds原理的正弦波信号发生器，dds的相位累加器为22 bits，对于1 MHz的超声波信号，信号分辨率高达23.84 ps，因此时间的起点可以明确确定。但是回波信号采用40 MHz的A/D转换器进行波形采集，采集数据间存在较大的时间间隔，对采集点的测量不能达到高精度。因此需对其波形进行细分，实现高精度的传播时间测量。

图4　ADC12DL080的电路原理图

3．2软件细分插补算法

传播时间的精确性测量取决于传播终点时刻的精确度，利用软细分插补技术来实现对时间的细分，可使测量的传播时间分辨率达到ns级别。图5为软件细分原理图。

图5　软细分原理图

首先，通过逐点比较A/D采样点，找出采样点的最大值，确定幅值最大的特征值波形；其次，通过查找比较的算法，确定超声波传输时间终点所对应的过零点P0的前一个采样点P和后一个采样点P+1，显然在特征波内采样点P的采样值大于零，采样点P+1的采样值小于零；最后，以采样点P和P+1对应的时刻作为基准，用细分插补算法准确计算出过零点P0所对应的时刻[7-9]。

设A/D的采样频率为FA/D，相邻2个采样点之间的时间(采样周期)为TA/D；从第一个采样点到采样点P之间的采样数为N，采样点P对应的采样值为V1，采样点P所对应的时刻为T1；采样点P+1对应的采样值为V2；采样点P与过零点P0之间的时间为T2，过零点P0对应的时刻为TZD，超声波的传输时间为T，则：

(4)

(5)

在过零点附近较小的区域内，正弦波的波形接近于直线，可以根据直线插补的方法确定T2：

(6)

则可计算过零点所对应的时刻，从而计算超声波传输时间终点所对应的时刻：

TZD=T1+T2

(7)

通过理论分析和实验的证明，使用该方法测得超声波传播时间的分辨率能够达到0.122 ns，测量的重复性在1 ns之内。

4　实验研究

4．1分辨率实验研究

超声波温度传感器精度高低完全取决于超声波传播速度的测量，文中将速度的测量转换为超声波在固定距离上的传播时间的测量，根据分析，理论上测量的传播时间可以达到ns级。通过实验来验证实际数据是否满足ns级超声波传播时间的测量。

假设在这段时间内温度稳定为25 ℃，则超声波传播的标准传播时间可取其均值225 403.09 ns，从图6中可以看出，大部分传播时间与标准值的差都在±0.5 ns之内，只有少数数据的误差大于这个值，且其中最大误差约为1 ns，虽然没能达到理论分辨率的0.122 ns，但误差仍然在ns级别，满足传感器设计的预期条件。

图6　传播时间描点图

4．2时间与温度的关系实验分析

超声波传播介质温度与超声波传播时间的关系曲线如图7所示，曲线上的点取值为对相同温度下取6个传播时间数据的平均值，从图7中可以看到，超声波传播时间是随环境温度的增加而相应地缩短，只要在实际测量中检测到环境中超声波的传播时间，便对应着1个环境温度。

图7　温度与传播时间的关系图

5　结论

利用超声波传播速度在介质中随温度变化而变化的特点为原理设计超声波传感器，通过测量超声波在固定距离下的传播时间，间接测量介质温度。以FPGA作为硬件电路核心，对信号进行控制，并在NIOS中使用了细分插补算法来对信号进行处理，能够精确地对信号进行激励与采集，从而实现了有效回波信号的自动采集，大幅度提高了超声波测量温度的范围。超声波传输时间的理论分辨率高达0.122 ns，有利于实现高精度的温度测量，通过实验也验证超声波传播时间达到了ns级水平，能够实现分辨率优于0.001 ℃．

参考文献：

[1]吕方瑶，张池军，闫勇，等．一类高精度温度测量技术研究．电子测量技术，2011，34(8)：88-90．

[2]朱晓旭，周修文．温度传感器．电子测量技术，2013，3(5)：44-45．

[3]张兴红，蔡伟，向凤云，等．精密超声波温度测量仪设计．仪表技术与传感器，2011(6)：31-33．

[4]蔡伟，刘淑香，向凤云，等．基于FPGA的高精度超声波温度计设计．电子技术应用，2011，37(8)：10-12．

[5]林立军．FPGA在超声气体温度测量中的应用．传感技术学报，2005，18(2)：347-349．

[6]张兴红，张慧，王先全，等．基于ARM的超声波流量计A/D转换电路设计．自动化与仪表，2010(11)：18-26．

[7]阮建富．一种测量超声波传播时间的装置．自动化仪表，2006，27(3)：35-38．

[8]LIN S F，ZHANG H J．A new method for nondestructively measuring pressure based on the rayleigh wave．Proceedings of the 21th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference．Como:the IEEE Instrumemetation and Measurement Society，2004：2332-2336．

[9]彭东林，熊强强，刘小康，等．基于超声电机技术的新型时栅传感器原理分析．重庆理工大学学报(自然科学版)，2010(7)：91-95．