反射式超聲波溫度計設(shè)計

張興紅，邱　磊，何　濤，王先全，張?zhí)旌?/p>

(重慶理工大學(xué)，時柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶　400054)

0　引言

近年來隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測溫技術(shù)也有著很大的進(jìn)步。目前各國都在針對性地競爭開發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊實用的測量技術(shù)[1]。超聲波測溫研究在我國尚屬開始階段，有關(guān)超聲測溫計的相關(guān)研究在國內(nèi)較少[2]，而現(xiàn)階段整體的超聲測溫水平不高，因此對精密的超聲波測溫技術(shù)的研發(fā)顯得很有必要[3]。

超聲波測溫技術(shù)是最近幾十才年發(fā)展起來的一種新型的測溫技術(shù)，它基于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)溫度有關(guān)的原理實現(xiàn)的[4]。超聲波在氣體介質(zhì)中傳播時的速度每秒約數(shù)百米，當(dāng)溫度升高時超聲波的傳播速度會增大。例如，溫度為0℃時空氣中音速為331.4 m/s，15℃時為340 m/s，溫度每升高1℃，音速約增加0.6 m/s．當(dāng)超聲波傳輸距離不變時，可以根據(jù)測得的超聲波在不同溫度下的傳播時間測出溫度值。超聲波溫度計通過檢測聲速的變化可以對極高溫進(jìn)行精密檢測，這一技術(shù)可以運(yùn)用于普通設(shè)備(如像熱電偶溫度計、光學(xué)溫度計等)所不能檢測的領(lǐng)域[5]，如高溫及強(qiáng)輻射條件的核反應(yīng)堆、環(huán)境惡劣的熱爐、惰性氣體的高溫測量[2]。

1　超聲波的傳播特性

超聲波在理想氣體介質(zhì)中傳播的速度僅與氣體媒介的溫度有關(guān)，因此我們可以通過對氣體媒介中超聲波波速的測量來測得氣體的溫度[6]。在理想氣體中，超聲波的傳播速度與氣體絕對溫度的平方根成正比[7]。

(1)

又由于

(2)

可得：

(3)

式中：R為氣體常數(shù)；r為定壓比熱和定容比熱的比例系數(shù)；M為介質(zhì)的分子質(zhì)量；d為傳播的距離；t為傳播的時間；ρ為氣體分子密度；P為氣體壓強(qiáng)；T為溫度。

根據(jù)上式可以看出，只要可以測出超聲波在氣體介質(zhì)中的傳播時間t，就能夠求得介質(zhì)的溫度T．將超聲波應(yīng)用于測距系統(tǒng)中時，波速受溫度的影響常常會發(fā)生變化，這種波速的變化常被當(dāng)作誤差并且必須得到消除或補(bǔ)償，但當(dāng)用超聲波技術(shù)進(jìn)行測溫時，則正是利用超聲波波速的變化來測量溫度的[7]。

3　超聲波溫度計原理

超聲波測溫是一種新的測溫技術(shù)，可用于超低溫測量和高溫高壓氣體的測量，其原理是以氣、液、固三態(tài)媒質(zhì)中，溫度與聲速的關(guān)系為基礎(chǔ)的[8]。當(dāng)超聲波傳播通道的距離一定時，可以通過測量超聲波在介質(zhì)中的傳播時間，間接的測量溫度。超聲波溫度計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　超聲波溫度計結(jié)構(gòu)框圖

該溫度計主要由超聲波溫度傳感器、超聲波驅(qū)動電路、回波信號處理電路以及接口電路幾部分構(gòu)成。超聲波溫度傳感器主要包括超聲波換能器(壓電晶體)、金屬管體，以及被密封在管體中的傳播介質(zhì)3部分。超聲波換能器是壓電晶體，可以把具有一定能量的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動從而發(fā)出超聲波，也可以將由超聲波產(chǎn)生的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號[9]。在該溫度計的設(shè)計中利用了超聲波的反射特性，即將超聲波換能器安裝在密閉金屬管體內(nèi)的一端，當(dāng)換能器發(fā)射的超聲波傳輸?shù)浇橘|(zhì)與另一端管壁的交界面時，超聲波會發(fā)生反射，這時反射回來的的超聲波又可以被換能器接收。因此，超聲波換能器既可以用于發(fā)射超聲波信號又能夠用于超聲波回波信號的接收，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以的減小傳感器的的尺寸以及換能器的個數(shù)，能夠提高元件的利用率，有效的節(jié)約成本。金屬管體是超聲波在傳播過程中的的通道，而介質(zhì)則是在傳播過程中超聲波的載體。超聲波換能器驅(qū)動電路主要包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A和功率放大電路。超聲波回波信號處理電路主要由濾波電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、通道切換電路、現(xiàn)場可編程門列陣(FPGA)和中央處理單元(CPU)組成。

CPU向FPGA中的同步電路發(fā)出開始采樣命令后，F(xiàn)PGA先通過通道切換電路啟動對超聲波換能器的驅(qū)動，構(gòu)建于FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號發(fā)生器發(fā)送頻率為1MHz的8個周期的正弦信號，該信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和功率放大后加載在換能器上，激發(fā)換能器產(chǎn)生超聲波并在介質(zhì)中傳播。FPGA在換能器完成超聲波發(fā)射后，控制通道切換電路將換能器的工作狀態(tài)從發(fā)射狀態(tài)切換到接受狀態(tài)，對超聲波換能器的輸出信號進(jìn)行采樣。

超聲波在介質(zhì)中的傳播過程中，當(dāng)超聲波傳播到兩種不同介質(zhì)的分界面上時會發(fā)生反射，超聲波換能器處于接受狀態(tài)時接收從管體的另一端反射回來的超聲波信號，并將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號。換能器輸出的電信號經(jīng)過濾波電路濾波和運(yùn)算放大電路放大后連接到A/D轉(zhuǎn)換電路。FPGA 內(nèi)部的采樣電路控制A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把采樣值逐一存入構(gòu)建于FPGA內(nèi)的RAM存儲區(qū)中。采樣完成后，F(xiàn)PGA向CPU 發(fā)送采樣結(jié)束狀態(tài)信息，CPU接收到采樣結(jié)束狀態(tài)信息后，結(jié)束一次采樣。

采樣結(jié)束后，CPU首先根據(jù)FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號發(fā)生器的數(shù)據(jù)精確確定超聲波信號中起點所對應(yīng)的時刻tQD．然后CPU發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，讀取暫存于RAM存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)，精確計算超聲波傳播時間終點所對應(yīng)的時刻，從而可以得到超聲波傳輸時間的精確值。最后CPU根據(jù)超聲波傳輸時間與溫度的關(guān)系精確計算出其對應(yīng)的溫度。

3　超聲波驅(qū)動信號及回波信號

超聲波換能器上的驅(qū)動信號是在FPGA中產(chǎn)生的數(shù)字正弦波經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換以及功率放大而成。文中設(shè)計中選用的超聲波激勵信號為連續(xù)8個1 MHz的超聲波正弦信號，這是根據(jù)超聲波精度和設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求綜合考慮得到的結(jié)果。超聲波發(fā)射波形的個數(shù)太少會影響超聲波傳輸時間的計算精度；但波形太多，則數(shù)據(jù)量會很大不好處理，選擇8個正弦波信號時回波信號比較好，同時需要處理的數(shù)據(jù)量也不是很多，便于精密測量的數(shù)據(jù)分析和處理。超聲波在介質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生不同程度的能量衰減，為了確保超聲波換能器可以準(zhǔn)確地接收到超聲波回波信號，超聲波激勵信號的能量要求足夠大以驅(qū)動換能器將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動，發(fā)出超聲波。

當(dāng)換能器處于發(fā)射狀態(tài)時，在FPGA的控制下發(fā)射一定數(shù)量的周期性正弦超聲波信號，該信號在管體的介質(zhì)中傳播到管體的另一端，在介質(zhì)和管體的界面上發(fā)生反射。反射后的超聲波作用到換能器上后，換能器將超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，產(chǎn)生超聲波回波信號，回波信號的幅值隨著換能器接收到的超聲波信號的連續(xù)激勵而逐漸增大，當(dāng)激勵信號停止時，換能器的機(jī)械振動在慣性的作用下仍然會持續(xù)并逐漸衰減，回波信號的幅值也逐漸減小，因此超聲波回波信號是一個變幅周期性信號[10]，其周期對應(yīng)于超聲波驅(qū)動信號的周期?；夭ㄐ盘栔凶钣刑卣鞯牟ㄊ欠底畲蟮哪莻€波，可以稱之為特征波，在特征波中，最有特征的點是過零點和峰值點，選擇過零點作為回波信號的特征點。超聲波驅(qū)動信號及回波信號如圖2所示。

圖2　超聲波驅(qū)動信號及回波信號

4　精密測量超聲波的傳播時間

有前面的超聲波的溫度特性可以知道：測得超聲波在介質(zhì)中的傳播速度就能夠知道介質(zhì)的溫度。而當(dāng)超聲波溫度傳感器傳播通道長度一定時，通過測量超聲波的傳播時間就可以得出超聲波的傳播速度。因此，設(shè)計中的溫度測量的精度取決于超聲波傳播時間的測量精度[9]。設(shè)計中的超聲波溫度計是一種測量分辨率可達(dá)0.001℃的精密溫度測量儀器，而溫度測量要達(dá)到較好的準(zhǔn)確度和分辨率，該超聲波時間信號的測量誤差必須達(dá)到ns級，這是超聲波測溫技術(shù)在實際運(yùn)用中要解決的關(guān)鍵問題[7]。

超聲波的傳播時間就是超聲波驅(qū)動信號與回波信號對應(yīng)點之間的時間差。精密測量超聲波德傳輸時間的關(guān)鍵點是確定超聲波傳播時間的終點，其精度依賴于終點的精確確定[11]。超聲波在傳播傳播過程中的起點時刻是超聲波驅(qū)動信號中第8個正弦波的過零點所對應(yīng)的時刻，其可以FPGA精確控制。超聲波傳播時間的終點是回波信號上的特征點所對應(yīng)的時刻。通過采用細(xì)分插補(bǔ)算法對回波信號特征波上的所有采樣點進(jìn)行分析和計算，可以得到超聲波傳輸?shù)慕K點所對應(yīng)的時刻。

文中超聲波傳輸時間的計算方法是：(1)逐點比較A/D采樣點確定特征波；(2)確定超聲波傳輸時間終點P0前后的兩個采樣點P和P1，又點P0為過零點，則點P的采樣值大于零，點P1的采樣值小于零；(3)根據(jù)采樣點P和P1兩點所對應(yīng)的時刻的值精確計算出超聲波傳輸時間的終點P0所對應(yīng)的時刻。最后，比較用超聲波終點時刻減去起點時刻算出超聲波傳輸時間。超聲波傳播時間終點對應(yīng)時刻的示意圖如圖3所示。

圖3　超聲波傳播時間終點對應(yīng)時刻的示意圖

設(shè)A/D的采樣頻率為fA/D，則相鄰的兩個采樣點之間的時間間隔為tA/D；從第一個采樣點到采樣點P之間的采樣點的個數(shù)為N，采樣點P的采樣值為V1，采樣點P的時刻為t1；采樣點P1的采樣值為V2；采樣點P與過零點P0的時間差為t2，超聲波信號中起點所對應(yīng)的時刻tQD；終點P0對應(yīng)的時刻為tZD，超聲波的傳輸時間為t，則：

(4)

(5)

在過零點附近較小的區(qū)域內(nèi)，將正弦波看成直線，根據(jù)直線插補(bǔ)的方法確定t2：

(6)

則超聲波傳播終點的時刻tZD：

(7)

從上式可知，超聲波傳輸時間終點時刻的分辨率R為：

(8)

超聲波回波信號的頻率與驅(qū)動信號的頻率相同為1 MHz，則周期為1 μs；設(shè)A/D的分辨率是12位，那么信號的幅值最多可以被分成4 096份，當(dāng)A/D的采樣頻率fA/D為32 MHz時，則最多有16個數(shù)據(jù)可以在從正的最大值到負(fù)的最大值的半個周期內(nèi)被采集，將這個半個周期內(nèi)的的波形看作成直線，由圖3的曲線可知：過零點附近曲線的斜率遠(yuǎn)大于峰值附近曲線的斜率，則

(9)

(10)

超聲波的傳輸時間為：

(11)

超聲波傳播時間起點時刻可以由基于FPGA的硬件電路精確確定，所以對超聲波的傳播時間進(jìn)行測量時只需要考慮傳播時間的終點時刻的分辨率有關(guān)系，因此超聲波傳播時間的分辨率也應(yīng)該小于0.122 ns．由于管體的長度是固定的，只要測得超聲波在管體中的傳播的精確時間，則溫度就可以被精確地檢測出來。例如，超聲波在20℃的空氣中的傳播速度是344 m/s，而在21℃的空氣中的傳播速度是344.6 m/s，設(shè)換能器和管體另一端之間的距離是0.15 m，即超聲波的傳播距離是0.30 m時，超聲波在20℃時的空氣中的傳播時間是8.720 9×10-4s，在21℃時的空氣中的傳播時間是8.705 7×10-4s，則超聲波的傳輸時間在空氣的溫度為21℃時和20℃時有一個1.52×10-6s的差值?？諝鉁囟葹?1℃時和20℃時，溫度差為1℃，而此時的時間差為1.52×10-6s，欲使溫度計要求達(dá)到溫度測量的分辨率優(yōu)于0.001℃的要求，則對超聲波信號的時間測量的分辨率必須優(yōu)于1.0×10-9s，文中設(shè)計的超聲波溫度計可以達(dá)到這個要求。

5　結(jié)論

超聲波在介質(zhì)中的傳播時，其波速會受介質(zhì)溫度的影響，當(dāng)介質(zhì)的溫度不同時超聲波的波速也會不同。因此，可以通過測量超聲波在介質(zhì)中的傳播時間來測溫度。利用基于FPGA的硬件電路和直線插補(bǔ)算法可以使超聲波傳輸時間的測量精度達(dá)到納秒級，從而達(dá)到對溫度的高精度測量。通過分析和計算，該超聲波溫度計能夠?qū)崿F(xiàn)的超聲波傳輸時間測量的分辨率優(yōu)于1.0×10-9s，進(jìn)而可以達(dá)到溫度測量的分辨率優(yōu)于0.001℃，可以對溫度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測量。

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