反射式超声波温度计设计

张兴红，邱　磊，何　涛，王先全，张天恒

(重庆理工大学，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆　400054)

0　引言

近年来随着现代科学技术的发展，测温技术也有着很大的进步。目前各国都在针对性地竞争开发各种新型温度传感器及特殊实用的测量技术[1]。超声波测温研究在我国尚属开始阶段，有关超声测温计的相关研究在国内较少[2]，而现阶段整体的超声测温水平不高，因此对精密的超声波测温技术的研发显得很有必要[3]。

超声波测温技术是最近几十才年发展起来的一种新型的测温技术，它基于超声波在介质中的传播速度与介质温度有关的原理实现的[4]。超声波在气体介质中传播时的速度每秒约数百米，当温度升高时超声波的传播速度会增大。例如，温度为0℃时空气中音速为331.4 m/s，15℃时为340 m/s，温度每升高1℃，音速约增加0.6 m/s．当超声波传输距离不变时，可以根据测得的超声波在不同温度下的传播时间测出温度值。超声波温度计通过检测声速的变化可以对极高温进行精密检测，这一技术可以运用于普通设备(如像热电偶温度计、光学温度计等)所不能检测的领域[5]，如高温及强辐射条件的核反应堆、环境恶劣的热炉、惰性气体的高温测量[2]。

1　超声波的传播特性

超声波在理想气体介质中传播的速度仅与气体媒介的温度有关，因此我们可以通过对气体媒介中超声波波速的测量来测得气体的温度[6]。在理想气体中，超声波的传播速度与气体绝对温度的平方根成正比[7]。

(1)

又由于

(2)

可得：

(3)

式中：R为气体常数；r为定压比热和定容比热的比例系数；M为介质的分子质量；d为传播的距离；t为传播的时间；ρ为气体分子密度；P为气体压强；T为温度。

根据上式可以看出，只要可以测出超声波在气体介质中的传播时间t，就能够求得介质的温度T．将超声波应用于测距系统中时，波速受温度的影响常常会发生变化，这种波速的变化常被当作误差并且必须得到消除或补偿，但当用超声波技术进行测温时，则正是利用超声波波速的变化来测量温度的[7]。

3　超声波温度计原理

超声波测温是一种新的测温技术，可用于超低温测量和高温高压气体的测量，其原理是以气、液、固三态媒质中，温度与声速的关系为基础的[8]。当超声波传播通道的距离一定时，可以通过测量超声波在介质中的传播时间，间接的测量温度。超声波温度计结构框图如图1所示。

图1　超声波温度计结构框图

该温度计主要由超声波温度传感器、超声波驱动电路、回波信号处理电路以及接口电路几部分构成。超声波温度传感器主要包括超声波换能器(压电晶体)、金属管体，以及被密封在管体中的传播介质3部分。超声波换能器是压电晶体，可以把具有一定能量的模拟电压信号转换为机械振动从而发出超声波，也可以将由超声波产生的机械振动转换为模拟电压信号[9]。在该温度计的设计中利用了超声波的反射特性，即将超声波换能器安装在密闭金属管体内的一端，当换能器发射的超声波传输到介质与另一端管壁的交界面时，超声波会发生反射，这时反射回来的的超声波又可以被换能器接收。因此，超声波换能器既可以用于发射超声波信号又能够用于超声波回波信号的接收，这种结构的设计可以的减小传感器的的尺寸以及换能器的个数，能够提高元件的利用率，有效的节约成本。金属管体是超声波在传播过程中的的通道，而介质则是在传播过程中超声波的载体。超声波换能器驱动电路主要包括数模转换器D/A和功率放大电路。超声波回波信号处理电路主要由滤波电路、放大电路、模数转换器(A/D)、通道切换电路、现场可编程门列阵(FPGA)和中央处理单元(CPU)组成。

CPU向FPGA中的同步电路发出开始采样命令后，FPGA先通过通道切换电路启动对超声波换能器的驱动，构建于FPGA内的数字正弦信号发生器发送频率为1MHz的8个周期的正弦信号，该信号经过数模转换和功率放大后加载在换能器上，激发换能器产生超声波并在介质中传播。FPGA在换能器完成超声波发射后，控制通道切换电路将换能器的工作状态从发射状态切换到接受状态，对超声波换能器的输出信号进行采样。

超声波在介质中的传播过程中，当超声波传播到两种不同介质的分界面上时会发生反射，超声波换能器处于接受状态时接收从管体的另一端反射回来的超声波信号，并将机械振动转换为电信号。换能器输出的电信号经过滤波电路滤波和运算放大电路放大后连接到A/D转换电路。FPGA 内部的采样电路控制A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，并把采样值逐一存入构建于FPGA内的RAM存储区中。采样完成后，FPGA向CPU 发送采样结束状态信息，CPU接收到采样结束状态信息后，结束一次采样。

采样结束后，CPU首先根据FPGA内的数字正弦信号发生器的数据精确确定超声波信号中起点所对应的时刻tQD．然后CPU发出读数据命令，读取暂存于RAM存储区中的数据，精确计算超声波传播时间终点所对应的时刻，从而可以得到超声波传输时间的精确值。最后CPU根据超声波传输时间与温度的关系精确计算出其对应的温度。

3　超声波驱动信号及回波信号

超声波换能器上的驱动信号是在FPGA中产生的数字正弦波经D/A转换以及功率放大而成。文中设计中选用的超声波激励信号为连续8个1 MHz的超声波正弦信号，这是根据超声波精度和设计的数据采集系统的要求综合考虑得到的结果。超声波发射波形的个数太少会影响超声波传输时间的计算精度；但波形太多，则数据量会很大不好处理，选择8个正弦波信号时回波信号比较好，同时需要处理的数据量也不是很多，便于精密测量的数据分析和处理。超声波在介质中传播时会产生不同程度的能量衰减，为了确保超声波换能器可以准确地接收到超声波回波信号，超声波激励信号的能量要求足够大以驱动换能器将电信号转换为机械振动，发出超声波。

当换能器处于发射状态时，在FPGA的控制下发射一定数量的周期性正弦超声波信号，该信号在管体的介质中传播到管体的另一端，在介质和管体的界面上发生反射。反射后的超声波作用到换能器上后，换能器将超声波信号转换成电信号，产生超声波回波信号，回波信号的幅值随着换能器接收到的超声波信号的连续激励而逐渐增大，当激励信号停止时，换能器的机械振动在惯性的作用下仍然会持续并逐渐衰减，回波信号的幅值也逐渐减小，因此超声波回波信号是一个变幅周期性信号[10]，其周期对应于超声波驱动信号的周期。回波信号中最有特征的波是幅值最大的那个波，可以称之为特征波，在特征波中，最有特征的点是过零点和峰值点，选择过零点作为回波信号的特征点。超声波驱动信号及回波信号如图2所示。

图2　超声波驱动信号及回波信号

4　精密测量超声波的传播时间

有前面的超声波的温度特性可以知道：测得超声波在介质中的传播速度就能够知道介质的温度。而当超声波温度传感器传播通道长度一定时，通过测量超声波的传播时间就可以得出超声波的传播速度。因此，设计中的温度测量的精度取决于超声波传播时间的测量精度[9]。设计中的超声波温度计是一种测量分辨率可达0.001℃的精密温度测量仪器，而温度测量要达到较好的准确度和分辨率，该超声波时间信号的测量误差必须达到ns级，这是超声波测温技术在实际运用中要解决的关键问题[7]。

超声波的传播时间就是超声波驱动信号与回波信号对应点之间的时间差。精密测量超声波德传输时间的关键点是确定超声波传播时间的终点，其精度依赖于终点的精确确定[11]。超声波在传播传播过程中的起点时刻是超声波驱动信号中第8个正弦波的过零点所对应的时刻，其可以FPGA精确控制。超声波传播时间的终点是回波信号上的特征点所对应的时刻。通过采用细分插补算法对回波信号特征波上的所有采样点进行分析和计算，可以得到超声波传输的终点所对应的时刻。

文中超声波传输时间的计算方法是：(1)逐点比较A/D采样点确定特征波；(2)确定超声波传输时间终点P0前后的两个采样点P和P1，又点P0为过零点，则点P的采样值大于零，点P1的采样值小于零；(3)根据采样点P和P1两点所对应的时刻的值精确计算出超声波传输时间的终点P0所对应的时刻。最后，比较用超声波终点时刻减去起点时刻算出超声波传输时间。超声波传播时间终点对应时刻的示意图如图3所示。

图3　超声波传播时间终点对应时刻的示意图

设A/D的采样频率为fA/D，则相邻的两个采样点之间的时间间隔为tA/D；从第一个采样点到采样点P之间的采样点的个数为N，采样点P的采样值为V1，采样点P的时刻为t1；采样点P1的采样值为V2；采样点P与过零点P0的时间差为t2，超声波信号中起点所对应的时刻tQD；终点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，将正弦波看成直线，根据直线插补的方法确定t2：

(6)

则超声波传播终点的时刻tZD：

(7)

从上式可知，超声波传输时间终点时刻的分辨率R为：

(8)

超声波回波信号的频率与驱动信号的频率相同为1 MHz，则周期为1 μs；设A/D的分辨率是12位，那么信号的幅值最多可以被分成4 096份，当A/D的采样频率fA/D为32 MHz时，则最多有16个数据可以在从正的最大值到负的最大值的半个周期内被采集，将这个半个周期内的的波形看作成直线，由图3的曲线可知：过零点附近曲线的斜率远大于峰值附近曲线的斜率，则

(9)

(10)

超声波的传输时间为：

(11)

超声波传播时间起点时刻可以由基于FPGA的硬件电路精确确定，所以对超声波的传播时间进行测量时只需要考虑传播时间的终点时刻的分辨率有关系，因此超声波传播时间的分辨率也应该小于0.122 ns．由于管体的长度是固定的，只要测得超声波在管体中的传播的精确时间，则温度就可以被精确地检测出来。例如，超声波在20℃的空气中的传播速度是344 m/s，而在21℃的空气中的传播速度是344.6 m/s，设换能器和管体另一端之间的距离是0.15 m，即超声波的传播距离是0.30 m时，超声波在20℃时的空气中的传播时间是8.720 9×10-4s，在21℃时的空气中的传播时间是8.705 7×10-4s，则超声波的传输时间在空气的温度为21℃时和20℃时有一个1.52×10-6s的差值。空气温度为21℃时和20℃时，温度差为1℃，而此时的时间差为1.52×10-6s，欲使温度计要求达到温度测量的分辨率优于0.001℃的要求，则对超声波信号的时间测量的分辨率必须优于1.0×10-9s，文中设计的超声波温度计可以达到这个要求。

5　结论

超声波在介质中的传播时，其波速会受介质温度的影响，当介质的温度不同时超声波的波速也会不同。因此，可以通过测量超声波在介质中的传播时间来测温度。利用基于FPGA的硬件电路和直线插补算法可以使超声波传输时间的测量精度达到纳秒级，从而达到对温度的高精度测量。通过分析和计算，该超声波温度计能够实现的超声波传输时间测量的分辨率优于1.0×10-9s，进而可以达到温度测量的分辨率优于0.001℃，可以对温度进行较为准确的测量。

参考文献：

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