高精度分体式多通道超声波温度计的设计*

张天恒，王培懿，张兴红，陈鸿雁

（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，重庆400054；2.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；3.重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆400054）



高精度分体式多通道超声波温度计的设计*

张天恒1，2*，王培懿3，张兴红1，2，陈鸿雁3

（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，重庆400054；2.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；3.重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆400054）

摘要：针对传统的温度传感器在极端与特殊条件下无法满足测量的要求，设计了分体式多通道的超声波温度计。将多对测量头均匀布置在装有被测介质的容器外侧的各个方位，利用FPGA的控制驱动信号精确确定超声波传播的起点时刻，通过分块查找的特征波查找算法、高速高分辨率的信号采样电路和直线插补算法相结合，利用过零点两侧的采样点来实现对超声波传播时间终点时刻的高精度检测，进而精确计算出超声波传输时间。在传播距离一定的条件下，以水为介质为例进行模拟实验。结果表明：分体式多声道超声波温度计能够实现对超声波传输时间的分辨率ns级的测量，从而确保了对温度的高精度测量。

关键词：分体式；超声波；特征波；直线插补算法

温度是国际单位制中七个基本的物理量之一［1］，在日常生活和工业生产的过程中，对温度的精确测量具有重大的现实意义。随着科技的发展，温度测量技术也经历了日新月异的变化。针对在高温、真空、还原等强腐蚀性场合下不能用常规的传感器，在不同的特殊场合，用特殊材料的保护管加热电偶，进行温度测量，但是存在的问题是热电偶寿命短、偏差大［2-3］。红外测温具有测温速度快、非接触、测温范围广等优点，国际计量委员会在第18届国际计量大会上首次把辐射测温作为复现温标的方法，但是辐射式测温测量误差比较大。对于大型空间或容器中物质的温度测量，如大型锅炉、反应釜中的高温液体温度测量［4-5］，传统的接触式测温或者辐射测温都是很难实现，因此急切需要一种新的测温方法来获得介质的内部温度。

在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。超声波频率很高，在测量中可有效避免混入噪声，使测量精度大大提高，而且超声波的指向性好，可使声波的干扰和反射最小，达到精确测量的要求［6-9］；本文根据超声波在介质中传播速度随介质温度变化而变化的特点，通过采用分体式多声道结构，将多对测量头均匀布置在装有被测介质的容器外侧的各个方位，让超声波在多声道传播，从而实现被测介质温度的精确测量。

1　分体式多通道的结构设计

如图1所示为分体式测量头的安装示意图。图中测量头的核心部分是压电超声换能器。图中四对超声波换能器（E11与E21、E12与E22、E13与E23、E14与E24）分别被相对安装在装有被测介质的圆柱型容器外壁上，构成超声波的多声道传播，其中换能器的安装位置要低于被测介质的高度，以便于超声波穿过被测介质。4个换能器E11、E12、E13、E14构成发射换能器组E1，发射换能器组E1用于发射超声波信号；而换能器E21、E22、E23、E24构成接收换能器组E2，接收换能器组E2用于接收超声波信号。

图1　分体式测量头的安装示意图

这种分体式安装结构可以有效避免测量头与被测介质接触，降低了测量头对材质的要求。同时，多对测量头均匀布置在被测对象的各个方位，构成了多声道的温度测量系统，由此获取多个位置的温度值，对这几个温度值进行算术平均，就可得到最终的温度值。这种设计降低了随机误差造成的影响，使得出的结果更接近真实值。

2　分体式多通道超声波温度测量系统原理

图2所示的为分体式多通道超声波温度测量系统的原理框图。分体式多通道超声波温度测量系统主要由现场可编程门列阵FPGA（Field Pro⁃grammable Gate Array）、中央处理单元CPU、超声波发射换能器组E1、超声波接收换能器组E2、通道切换电路、功率放大电路、D/A转换电路、滤波电路、放大电路、A/D转换电路、显示电路、键盘电路和RS485串行通信构成。

中央处理单元CPU控制现场可编程门阵列FP⁃GA输出驱动信号，信号依次通过D/A转换电路和功率放大电路传输至通道切换电路，通道切换电路进行通道切换，使得有一定能量的驱动信号逐一轮流驱动发射换能器组E1中的换能器发射超声波。接收换能器组E2中对应的换能器接收从发射换能器组E1中的换能器所发射的超声波信号，将其转换为超声波回波信号，超声波回波信号经过滤波电路和放大电路处理后由A/D转换电路进行采集，被采集的数据存储在构造于FPGA内的存储区内。

当数据采集完成后，中央处理单元CPU对存储在FPGA内的数据进行实时分析处理，算出超声波在每一组相对的换能器之间的传播时间，由传播时间间接计算出温度值。这样四对超声波换能器就可以得到四个温度值。最后CPU对这四个值进行算术平均就能得出最终的温度值并在LED上显示出来或者通过RS485将数据传输到其它外设终端。

3　超声波时间测量方法

3.1特征波的确定

影响分体式超声波温度测量系统温度精度的主要因素是超声波传播时间测量的准确性，为保证对温度的精密测量，必须采用高精度的传播时间测量方法来解决时间的测量问题。在超声波测温技术图3超声波的传播时间中，超声波的传播时间就是换能器发射的超声波信号与另一端换能器接收到的回波信号之间的时间间隔。因此只要准确确定超声波传播时间的起点和终点时间，就可以准确测量传播时间。超声波信号是换能器受到驱动信号的激励下发射的，而超声波驱动信号是由构建于FPGA中的信号发生器产生的，因此超声波传播的起点时刻可以由控制驱动信号产生的FPGA精确确定。在精确控制传播时间起点的情况下，只要精确确定终点时刻就可以实现时间的精密测量。

图3所示为超声波波形随时间变换曲线的示意图。图中超声波信号为八个连续的幅值相等正弦波，而超声波回波信号也是由一组连续的幅值不相等正弦信号组成，由于波形的叠加和信号的能量衰减，前八个波形的幅值逐渐增加，当幅值达到最大值后开始逐渐减小，直至幅值为零。超声波传播时间的起点设定为超声波信号中第八个波形的过零点，则超声波传播时间的终点为换能器接收到的超声波回波信号中幅值最大波形的过零点，如果将回波信号中幅值最大的波形称为特征波，将特征波的过零点称为特征点，那么超声波传播时间的终点就是特征点［10］。

图3　超声波波形随时间变换曲线

3.2特征波查找算法

首先要找到存储在FPGA内部RAM存储模块中幅值较大的采样数据，并根据该采样数据查找采样点的幅值，进而找到回波信号中波形最大的特征波。在对特征波查找算法进行软件设计时，既要能够实现预期的功能，同时还要保证程序的运行效率。数据查找是计算机应用中常用的一种基本运算，在实际应用中比较常用的查找算法包括：顺序查找、折半查找、分块查找和散列查找四种［11］。顺序查找算法效率低，折半算法对数据列表要求较高，只适用于已经列好序列的数据表，散列查找算法则是不容易建立散列函数，分块查找算法采用将顺序查找算法与折半查找算法相结合，既保证了查找效率，又降低了对数据列表的要求，同时软件程序处理难度较低，非常适合对回波信号中最大特征波的查找。

基于分块查找算法的最大特征波程序流程图如图4所示。首先采用分块查找算法将RAM存储模块中的数据分成20块，在每一块中以每32个数据编为1组查找出每一组的最大值，再将各组的最大值进行比较找出最大值，确定特征波。

图4　最大特征波查找程序流程图

3.3基于A/D采样和直线插补的时间测量方法

为保证分体式多通道超声波温度计达到0.001℃的分辨率，超声波传播时间的测量必须达到或小于纳秒级。传播时间测量原理是：通过采用高速高分辨率的信号采样电路和直线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，利用过零点两侧的采样点来实现对超声波传播时间终点时刻的高精度检测，进而精确计算出超声波传输时间，保证对温度高精度的测量。具体算法如下：第一，通过模数转换A/D采样电路对超声波回波信号进行采样，并将采样数据存储在FPGA内部的RAM中；第二，对A/D采样数据逐点进行比较从中找出幅值最大的特征波；第三，在特征波确定以后，找出特征波上的两个点P和P1，其中点P的采样值大于零，P1的采样值小于零，则特征波的过零点P0，即超声波传播时间的终点就在这两点之间。第四，根据采样点P和P1两点所对应的时刻的值，利用数字拟合细分插补算法精确计算出超声波传输时间的终点P0所对应的时刻。最后，用超声波终点时刻减去起点时刻算出超声波传输时间。

设fA/D为模数转换A/D的采样频率，tA/D为相邻的两点之间的时间；N为第一个采样点到点P之间的采样点个数，V1为点P的采样值，t1为点P所处时刻；V2为点P1的采样值；t2为点P与点P0之间的时间，tend为点P0对应的时刻为，tstart为超声波传播时间的起点时刻，t为超声波的传输时间，ƒu为超声波信号的输入频率则：

在过零点附近将正弦波当作直线来处理，采用直线插补方法可以计算出t2：

超声波传输时间的终点时刻为：

超声波传输时间的起点时刻为tstart，过零点P0对应的时刻为tend，则超声波的传输时间为t［12］：

由式（1）、式（2）、式（5）及文献［12］可知超声波传播时间的分辨率R为：

由上述分析可以知道：超声波传播时间的测量分辨率与A/D转换芯片的分辨率的位数以及超声波的频率有关。超声波频率越高，超声波传输时间测量越精确；当超声波输入频率ƒu为定值时，选用的A/D分辨率RA/D位数越高，一个周期内采样的点数越多，采样就越精确。当超声波信号的频率ƒu为1 MHz，A/D转换芯片ADC12DL040的分辨率RA/D是12 bit，则超声波传输时间的分辨率R为：

4　实验研究

4.1达到ns级的分辨率实验研究

在超声波传播距离已知时，温度的测量就转化为传播时间的测量。因此要实现高精度的温度测量就必须解决时间的精密测量问题，传播时间的测量精度必须达到甚至优于1 ns。实验中以水作为传播介质，并将超声波的传播距离设为338 mm，在温度为25℃时，在一小时内测出的传播时间数据中，取150个连续数据。通过该实验可以反映超声波传播时间的测量精度，以及传播时间测量重复性。

为了更加清楚的看出超声波传播时间的具体情况，将取得的150个超声波传播时间数据进行算术平均，求得结果为225 403.112 ns，将传播时间数据与算术平均值作差值运算，得出图5所示的超声波传播时间误差曲线。从图5的误差曲线可以看出，在温度为25℃的恒温条件下，超声波传播时间的测量误差在±1.2 ns之间，其中绝大部分的测量误差在±0.9 ns之间，只有少量的测量误差大于1 ns。采用中位值平均滤波法能够消除偶然的脉冲干扰所造成的采样值的偏差［13］，能够达到分体式超声波温度测量系统对传播时间测量精度优于1 ns的要求。

图5　超声波传播时间误差曲线

4.2时间与温度的关系实验分析

同样以水作为超声波的传播介质，超声波传播的介质温度与超声波传播时间的关系曲线如图6所示，曲线上的点取值为对相同温度条件下，取6个传播时间数据的平均值，从图6中可以看到超声波传播时间是随环境温度的升高而相应地缩短。具体对应不同的介质与特殊温度的条件下，超声波的传播速度与温度之间的特定关系，还需要通过建模与特定的实验条件下来确定，从而验证超声波温度计的可行性［14］。

图6　温度与传播时间的关系图

5　结论

为解决极端与特殊条件下不能用传统的温度传感器进行温度测量，设计了分体式多通道的超声波温度计，将多对测量头均匀布置在装有被测介质的容器外侧的各个方位，构成了多声道的温度测量系统。以FPGA为核心，驱动信号精确确定超声波传播时间的起点时刻，超声波传播中特征波的过零点就是超声波传播时间的终点时刻。采用基于分块查找的特征波查找算法与基于A/D采样和直线插补的时间测量方法，能够精确的实现超声波有效回波信号的自动采集，使分体式多通道超声波温度计对传播时间测量精度优于1 ns的要求，能够实现分辨率高于0.001℃的温度测量。

参考文献：

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张天恒（1973-），男，甘肃武威人，硕士，工程师，主要研究方向为精密仪器及机械和智能传感器，zth@cqut.edu.cn；

张兴红（1970-），男，甘肃武威人，博士，教授，主要研究方向为几何量精密测量技术与传感器，zxh@cqut.edu.cn。

The Design of High Precision Split Type and Multi-Channel Ultrasonic Thermometer*

ZHANG Tianheng1，2*，WANG Peiyi3，ZHANG Xinhong1，2，CHEN Hongyan3
（1.Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipmen（tMinistry of Education）Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China；2.Chongqing Key Laboratory of Time-Grating Sensing and Advanced Testing Technology Chongqing University ofTechnology，Chongqing 400054，China；3.School of Electronic Information and Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

Abstract：The traditional temperature sensor can’t meet the requirements of measurement under harsh and particu⁃lar conditions，the split type and multi-channel ultrasonic thermometer is designed.Several couples of measuring heads are set in each lateral position of the containers of measured medium.The starting point of ultrasonic wave propagation is accurately determined by control signal of FPGA.According to the combination of characteristic wave search algorithm through blocking search，the high-speed and high-resolution signal sampling circuit and lin⁃ear interpolation algorithm，utilizing the both sides of sampling point which close to zero point to complete the accu⁃rate detection of end time of ultrasonic wave propagation，and then precisely compute the ultrasonic transmission time.When propagation distance is definite，a simulated experiment with water as medium is accomplished，Result shows that the split type and multi-channel ultrasonic thermometer can process ns level measurement of the resolu⁃tion of the ultrasonic transmission time，which ensuring high precision of temperature measurement.

Key words：plit type；ultrasonic；characteristic wave；linear interpolation algorithm

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.005

收稿日期：2015-09-17修改日期：2015-10-12

中图分类号：TP216

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）02-0177-05

项目来源：国家自然科学基金项目（51275551，51405049，51406020）；国家科技部重大科学仪器设备开发专项项目（2013YQ220893）