基于超聲波飛行時(shí)間的溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究?

宋燦　劉石　任思源

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京102206）

基于超聲波飛行時(shí)間的溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究?

宋燦?劉石任思源

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京102206）

超聲波測(cè)量技術(shù)具有速度快、成本低、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域。為滿足工業(yè)中對(duì)溫度測(cè)量的需求，本文提出了超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于超聲波的傳播速度與環(huán)境溫度的關(guān)系，以STC12單片機(jī)作為系統(tǒng)硬件電路控制核心，采用幅度和相位調(diào)制的矩形波作為發(fā)射波，實(shí)現(xiàn)在恒溫箱空氣介質(zhì)中固定距離下的超聲波飛行時(shí)間的測(cè)量，以此確定介質(zhì)的平均溫度。測(cè)量數(shù)據(jù)由單片機(jī)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理和顯示，并與恒溫箱熱電偶測(cè)得的溫度對(duì)照，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量溫度，溫度范圍約在35°C—90°C。

超聲波，測(cè)溫，換能器，飛行時(shí)間

1　引言

溫度是描述物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它的測(cè)量與控制在國防、軍事、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用特別是高溫測(cè)量在航天、材料、能源、冶金等領(lǐng)域中占有極重要地位［1］。

測(cè)量溫度的方法大致分為兩類，接觸式和非接觸式。接觸式測(cè)溫方法主要有熱電偶、熱電阻、熱輻射溫度計(jì)等方法。接觸式方法簡(jiǎn)單可靠精度較高，但存在測(cè)溫延遲、測(cè)溫范圍限制、干擾被測(cè)源等局限性。非接觸式測(cè)溫方法主要有聲學(xué)法和光學(xué)法，相比于接觸式測(cè)溫方法，非接觸式測(cè)溫元件不與被測(cè)介質(zhì)接觸，因此不會(huì)破壞介質(zhì)的溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍廣，反應(yīng)速度一般較快。

超聲波測(cè)溫作為一種非接觸式測(cè)溫方法，與傳統(tǒng)測(cè)溫方式相比，能夠?qū)Υ罂臻g被測(cè)源進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量且測(cè)溫范圍廣，反應(yīng)速度較快，精度較高、維護(hù)方便，不會(huì)破壞介質(zhì)的溫度場(chǎng)，特別適合高溫和惡劣的測(cè)溫環(huán)境。主要應(yīng)用于倉儲(chǔ)糧食、微生物培養(yǎng)過程、火箭排氣、汽缸燃燒氣體、熔融液、核反應(yīng)堆石墨芯、火電站鍋爐內(nèi)部火焰等處的溫度測(cè)量與溫度場(chǎng)圖像重建等方面［2］。

2　超聲波測(cè)溫原理及飛行時(shí)間測(cè)量

2.1超聲波測(cè)量原理

目前超聲波溫度測(cè)量的方法主要有波速法和相位差法等，本質(zhì)上是利用超聲波在氣體介質(zhì)中傳播時(shí)由于氣體溫度變化引起超聲波波速或頻率的變化這一現(xiàn)象來求解溫度。本系統(tǒng)采用波速法進(jìn)行測(cè)量：通過測(cè)定超聲波從發(fā)射端到接收端的飛行時(shí)間（TOF），并根據(jù)確定的測(cè)溫距離，求得超聲波傳播路徑上的平均速度，由公式（1）［3-5］即可得出介質(zhì)的平均溫度，

其中，R為理想氣體普適常數(shù)，M為氣體分子量，T為氣體絕對(duì)溫度，γ為特定氣體在定壓定容下的比熱比，c為介質(zhì)中的聲速，對(duì)某種特定氣體Z為一常數(shù)，空氣中Z取值為20.05。

又由運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式c=d/tTOF，可得聲學(xué)測(cè)溫的基本計(jì)算公式（2），

其中，d為兩個(gè)超聲波收、發(fā)換能器之間的距離，tTOF為超聲波在兩個(gè)換能器之間的飛行時(shí)間。

由超聲測(cè)距知道，距離的測(cè)量可以由飛行時(shí)間得到，在固定距離的條件下，由公式（2）發(fā)現(xiàn)溫度的測(cè)量也可以由飛行時(shí)間得到。因此，氣體的平均溫度T可根據(jù)公式（1）、公式（2）寫成公式（3）：

另外，式（1）中絕對(duì)溫度和聲速為二次方關(guān)系，并且R和M都是常數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0°時(shí)對(duì)應(yīng)的聲速實(shí)際值約為331.45 m/s，將式（1）中的熱力學(xué)溫度用攝氏溫度代替可得式（4）［6］，式（3）和式（4）為本系統(tǒng)超聲波溫度測(cè)量提供了理論依據(jù)。

總之，基于TOF的超聲波溫度測(cè)量的原理就是通過測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的飛行時(shí)間得到超聲波的速度，再由速度得到介質(zhì)溫度，即由超聲波的飛行時(shí)間間接測(cè)量介質(zhì)溫度。因此，選取合適的方法更好地測(cè)量超聲波的飛行時(shí)間成為超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)的重點(diǎn)［3-4］。

2.2超聲波飛行時(shí)間測(cè)量

本系統(tǒng)采用飛行時(shí)間法進(jìn)行超聲波溫度測(cè)量。在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，由于氣體對(duì)超聲波的吸收特性，存在接收波前緣延時(shí)的問題，同時(shí)前緣延時(shí)還與超聲波傳輸距離有關(guān)，距離越長(zhǎng)，前緣延時(shí)就越長(zhǎng)，如圖1所示［7］，造成飛行時(shí)間不易標(biāo)定。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，怎樣盡可能精確標(biāo)定超聲波傳播的起始和終點(diǎn)位置是一個(gè)不容忽視的問題。

圖1　超聲波在氣態(tài)環(huán)境中傳播特性Fig.1 Ultrasonic propagation characteristics in gas

超聲測(cè)量一大優(yōu)勢(shì)就是成本低，因此，在不提高成本的前提下，為了獲取更精確的測(cè)量值，可以在連續(xù)發(fā)射信號(hào)中加入相位和幅值調(diào)制信號(hào)來精確標(biāo)定發(fā)射與接收的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，發(fā)射波形如圖2所示，其中，方波2相對(duì)于方波1進(jìn)行了相位和幅度調(diào)制，將方波1和方波2合成即為發(fā)射波形。當(dāng)選取連續(xù)方波作為發(fā)射波時(shí)，如果加入兩組脈沖突變，會(huì)造成超聲波接收端在對(duì)應(yīng)處突然減小的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象可以用來確定接收波的時(shí)間節(jié)點(diǎn)［7］。

圖2　發(fā)射波形與簡(jiǎn)化發(fā)射波形Fig.2Transmitting wave and simplified transmitting wave

將如圖2所示的發(fā)射波形進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，即將發(fā)射波形在兩個(gè)超聲換能器之間傳播，由于發(fā)射波第二部分頻率減小且幅值增高，由示波器可以看到，確實(shí)造成了接收端波形在相應(yīng)位置突然減小，如圖3所示，其中CH1為發(fā)射波波形，CH4為接收波波形，CH2為接收端波形經(jīng)過前端放大后的波形。因此，只要確定發(fā)射波脈沖突變和接收波對(duì)應(yīng)處突然減小的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，就可以得到超聲波的飛行時(shí)間。

圖3　超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射與接收波形Fig.3 The transmitting and receiving wave in the ultrasonic temperature measurement system

由于只需要兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)標(biāo)定測(cè)量飛行時(shí)間，經(jīng)過反復(fù)測(cè)量，本系統(tǒng)最終將發(fā)射波簡(jiǎn)化，如圖2所示，簡(jiǎn)化后的發(fā)射波形不僅可以同樣精確地標(biāo)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)，而且簡(jiǎn)化了單片機(jī)程序，使得測(cè)量速度進(jìn)一步提升，對(duì)于將來的溫度場(chǎng)測(cè)量可以提高測(cè)量效率。根據(jù)圖3中的現(xiàn)象，采用簡(jiǎn)化發(fā)射波進(jìn)行如上測(cè)試，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器，轉(zhuǎn)換成方波波形，確定觸發(fā)器的閥值，則獲得一個(gè)較寬的低電平，如圖4所示。

圖4　超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)TOF確定方法圖Fig.4 TOF method in the ultrasonic temperature measurement system

3　超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)在超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有非常重要的位置，本測(cè)量系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，硬件電路圖如圖5所示。

圖5　超聲溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件圖Fig.5 The hardware block diagram of ultrasonic temperature measurement system

在圖5中，超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，采用2個(gè)超聲換能器測(cè)量待測(cè)區(qū)域溫度，外圍電路包括放大電路，開關(guān)選擇電路，觸發(fā)電路，反饋電路、單片機(jī)與上位機(jī)交互電路等組成。

3.1.1信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)及工作過程

單片機(jī)作為本系統(tǒng)硬件的核心部分，其主要任務(wù)是：輸出開關(guān)控制信號(hào)，用于選擇開關(guān)芯片CD4051不同的輸入通道作為輸出結(jié)果；輸出如圖2中脈寬不同（40 kHz和20 kHz）且幅值不同的簡(jiǎn)化發(fā)射波，并作為超聲波換能器的使能信號(hào)；通過單片機(jī)的計(jì)時(shí)器記錄超聲波傳輸?shù)臅r(shí)間起點(diǎn)和終點(diǎn)；與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與顯示。

本系統(tǒng)采用前端放大電路結(jié)合施密特觸發(fā)器74LS14實(shí)現(xiàn)濾波整流。放大電路對(duì)接收波進(jìn)行放大處理，放大后的超聲波接收信號(hào)可以清晰的區(qū)分噪聲與接收波，如圖3。通過劃定施密特觸發(fā)器的閥值電壓，消除噪聲，同時(shí)將接收波轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的方波信號(hào)存在一個(gè)明顯的較寬的低電平。此方波信號(hào)反饋給單片機(jī)，作為單片機(jī)的中斷信號(hào)，單片機(jī)接收反饋之后，控制計(jì)時(shí)器，得到超聲波的飛行時(shí)間TOF，繼續(xù)發(fā)射下一組波形。

3.1.2單片機(jī)與超聲換能器的選型

為了完整測(cè)量數(shù)據(jù)、減小誤差并提高測(cè)量精度，快速的閉環(huán)響應(yīng)是最為重要的，這要求控制系統(tǒng)電路能夠完成快速的響應(yīng)，對(duì)瞬時(shí)變化的TOF做出反應(yīng)，因此本系統(tǒng)選取STC12單片機(jī)，其運(yùn)行速度是普通單片機(jī)的3—12倍。另外系統(tǒng)選擇22.1184 MHz的晶振，既可以減小程序運(yùn)行時(shí)間，增大系統(tǒng)響應(yīng)頻率，提高精確度，同時(shí)又可使單片機(jī)與PC機(jī)之間最小誤差傳輸數(shù)據(jù)，傳輸波特率達(dá)到9600 bit/s。

由于超聲波在空氣中的衰減系數(shù)α與超聲波頻率的關(guān)系如公式（5）：

式（5）中a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動(dòng)頻率［8］。由公式（5）可看出，超聲波頻率越大，在空氣中衰減的越快，因此頻率過高的超聲波很難在空氣中傳播；另外參考超聲波換能器本身的硬件性能，超聲波頻率過低時(shí)（如20 kHz），換能器輸出能力較差，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)量，最終選取型號(hào)為400PT160的壓電陶瓷超聲波換能器作為超聲波發(fā)射與接收裝置，同時(shí)采用40 kHz作為發(fā)射信號(hào)頻率。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)完成本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取、誤差分析與處理，其核心部分是下位機(jī)的TOF測(cè)量，圖6為系統(tǒng)TOF測(cè)量程序流程圖。

圖6　超聲溫度測(cè)量系統(tǒng)TOF測(cè)量程序流程圖Fig.6 The software flow chart of ultrasonic temperature measurement system for measuring TOF

首先進(jìn)行中斷初始化和計(jì)時(shí)器初始化，產(chǎn)生方波1和方波2，形成發(fā)射波形，同時(shí)計(jì)時(shí)器1在發(fā)射波的測(cè)量脈沖前打開。計(jì)時(shí)器在單片機(jī)反饋信號(hào)電平為高電平時(shí)打開，低電平時(shí)關(guān)閉，即計(jì)時(shí)器用于測(cè)量脈寬，當(dāng)脈寬小于等于標(biāo)準(zhǔn)寬度時(shí)，繼續(xù)檢波，當(dāng)脈寬大于標(biāo)準(zhǔn)寬度時(shí)，就檢測(cè)到接收波的寬脈沖，此時(shí)關(guān)閉計(jì)時(shí)器1，計(jì)時(shí)器1的時(shí)間即為一個(gè)測(cè)量脈沖信號(hào)在發(fā)射端和接收端之間的傳播時(shí)間，如圖7［7］。

計(jì)算完一組超聲波的TOF之后，單片機(jī)繼續(xù)發(fā)射下一組波形，每10組計(jì)算一次TOF平均值，將結(jié)果傳輸給上位機(jī)。

圖7　TOF測(cè)量示意圖Fig.7 TOF measurement schematic

4　超聲波溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

4.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境——恒溫箱

由于聲速與聲源的性質(zhì)無關(guān)，只與媒質(zhì)的彈性、密度及溫度有關(guān)［9］，因此超聲波的傳播速度受很多因素的影響。在20°C溫度、兩超聲波換能器相距0.2 m的條件下，理想聲速約為343.370 m/s［6，10-11］，僅風(fēng)速對(duì)飛行時(shí)間帶來的影響如表1所示。從表1發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速對(duì)飛行時(shí)間的影響隨著風(fēng)速的增大而加劇。根據(jù)國際計(jì)量局推薦公式［12］，空氣的溫度、濕度和壓強(qiáng)都與空氣密度相關(guān)，空氣密度與氣體普適常數(shù)也相關(guān)［13］，并且由公式（1）發(fā)現(xiàn)，氣體普適常數(shù)變化直接影響聲速變化。因此，在超聲氣體介質(zhì)溫度測(cè)量系統(tǒng)中，環(huán)境濕度對(duì)超聲波傳播速度也有影響。

表1　環(huán)境風(fēng)速對(duì)飛行時(shí)間的影響Table 1 The influence of environmental wind speed on TOF

為了盡量減少風(fēng)速、濕度等其他因素的影響，也為了驗(yàn)證本系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)選擇在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)量精度驗(yàn)證與誤差分析。

4.2實(shí)驗(yàn)步驟

在實(shí)驗(yàn)中，首先利用熱電偶測(cè)量恒溫箱內(nèi)多個(gè)位置的點(diǎn)溫。因?yàn)楹銣叵潴w積較大，測(cè)量時(shí)恒溫箱內(nèi)的溫度并不一定保持恒定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度相對(duì)偏差在0.5%以內(nèi)，因此，可近似認(rèn)為恒溫箱內(nèi)溫度基本恒定，因此采用熱電偶測(cè)量溫度作為測(cè)量時(shí)恒溫箱溫度的參考值。另外，實(shí)驗(yàn)中熱電偶與超聲換能器的放置位置盡量處于同一平面。

然后在恒溫箱中放置2個(gè)超聲波換能器，其中一個(gè)作為發(fā)射端，另一個(gè)作為接收端，兩換能器的距離為21.5 cm，進(jìn)行超聲波溫度測(cè)量，以熱電偶測(cè)量的溫度為恒溫箱參考溫度，其溫度對(duì)應(yīng)的超聲波傳播時(shí)間即視為理想時(shí)間，利用理想時(shí)間對(duì)比實(shí)際測(cè)量的時(shí)間，分析系統(tǒng)測(cè)量精確度并確定系統(tǒng)誤差。由于目前電路設(shè)計(jì)和超聲換能器性能的限制，分別在熱電偶測(cè)得的溫度為308.15 K，313.15 K，318.15 K，···，363.15 K等溫度條件下，測(cè)量本系統(tǒng)超聲波從發(fā)射端到接收端的傳播時(shí)間，具體實(shí)驗(yàn)框圖如圖8所示。

圖8　超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖Fig.8 Measurement equipments of the ultrasonic temperature measurement system

最后，以單片機(jī)為核心的下位機(jī)測(cè)量系統(tǒng)將測(cè)量時(shí)間傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行分析處理，如分析并去除系統(tǒng)誤差、將測(cè)量時(shí)間結(jié)果轉(zhuǎn)化為測(cè)量溫度、測(cè)量溫度與熱電偶測(cè)量的溫度對(duì)照、顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果等步驟，最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

由下位機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間值發(fā)現(xiàn)其與理想時(shí)間值密切相關(guān)，兩者始終保持一個(gè)幾乎固定的偏差，可視為系統(tǒng)誤差，通過上位機(jī)處理得到兩者關(guān)系式為Y=1.004X+0.1803，其中理論時(shí)間值為X（ms），系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量時(shí)間測(cè)量值為Y，相關(guān)系數(shù)R的平方值為0.9973。綜合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和下位機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）發(fā)射波在AD放大、劃定觸發(fā)器閥值等步驟之后，可能導(dǎo)致TOF終點(diǎn)標(biāo)定存在誤差，此誤差可能為系統(tǒng)誤差的主要原因。由于電路和TOF測(cè)量算法都較穩(wěn)定，TOF標(biāo)定造成的誤差基本恒定。

（2）另外，電路對(duì)信號(hào)的時(shí)延也是造成系統(tǒng)誤差的一部分，其中主要是換能器的遲延時(shí)間。假設(shè)超聲波傳輸時(shí)間為tTOF，換能器時(shí)延為td，則所測(cè)量的超聲波飛行時(shí)間t=tTOF+td［14］。設(shè)發(fā)射信號(hào)ur（t）和接收信號(hào)uR（t）如公式（6）、式（7）［15］所示，

其中φ0為發(fā)射信號(hào)初始相位，L為測(cè)量區(qū)域距離，c為聲速，φc為信號(hào)經(jīng)過電路引起的電氣誤差。在本測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中，φc導(dǎo)致的時(shí)間誤差td=φc/（2πf），因此電路對(duì)信號(hào)的時(shí)延基本恒定。

（3）由于熱電偶測(cè)量溫度是熱電偶所處點(diǎn)的溫度，不能反映恒溫箱的平均溫度，僅具有參考意義。

（4）恒溫箱中空氣濕度等因素并不一定恒定，也會(huì)引起測(cè)量誤差。

結(jié)合以上誤差原因，通過上位機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。經(jīng)過誤差校正后的測(cè)量結(jié)果與理論值比較結(jié)果，如圖9所示，圖9（a）和圖9（c）表示系統(tǒng)修正后的測(cè)量時(shí)間與理論時(shí)間及相對(duì)誤差；圖9（b）和圖9（d）表示系統(tǒng)修正后的測(cè)量溫度與熱電偶測(cè)量溫度及相對(duì)誤差。

本系統(tǒng)在恒溫箱測(cè)量環(huán)境中、35°C—90°C的溫度范圍內(nèi)、兩換能器距離21.5 cm的條件下進(jìn)行平均溫度測(cè)量，在上位機(jī)完成系統(tǒng)修正后，發(fā)現(xiàn)在修正后的測(cè)量時(shí)間的相對(duì)誤差小于0.35%，修正后的測(cè)量溫度的相對(duì)誤差小于0.65%。

圖9　系統(tǒng)修正后的測(cè)量結(jié)果及誤差分析Fig.9 The revised measuring results and error analysis

5　結(jié)論

本系統(tǒng)基于超聲波的傳播速度與環(huán)境溫度的關(guān)系，以STC12單片機(jī)作為系統(tǒng)硬件電路控制核心，同時(shí)為避免接收波前緣延時(shí)的問題，選取幅調(diào)和相調(diào)信號(hào)作為發(fā)射波，測(cè)量超聲波在恒溫箱空氣介質(zhì)中固定距離下的飛行時(shí)間，間接測(cè)量介質(zhì)的平均溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量溫度，溫度范圍在35°C—90°C。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量空間、電路設(shè)計(jì)和超聲波換能器的作用溫度等限制條件下，本系統(tǒng)仍對(duì)溫度反應(yīng)較靈敏，精度較高，對(duì)以后的超聲波溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)具有重要的實(shí)用價(jià)值，是一個(gè)具有進(jìn)一步開發(fā)潛力的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。目前，此系統(tǒng)在微生物培養(yǎng)的非接觸式測(cè)溫和倉儲(chǔ)糧食溫度檢測(cè)等低溫測(cè)量領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值。

在本系統(tǒng)之后的超聲波溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，可以選用溫度范圍更廣的超聲換能器、嘗試其他的發(fā)射脈沖應(yīng)用于飛行時(shí)間測(cè)量或采用其他的測(cè)量方法等途徑，不斷擴(kuò)大測(cè)量溫度范圍，實(shí)現(xiàn)高溫測(cè)量和溫度場(chǎng)的測(cè)量，應(yīng)用于更多工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，如熱電站鍋爐火焰、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的溫度場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域，同時(shí)還要減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)可靠性。

［1］戴景民.輻射測(cè)溫的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004，23（3）：1-7. DAI Jingmin.Survey of radiation thermometry［J］. Autom.Technol.Appl.，2004，23（3）：1-7.

［2］范洪輝，朱洪錦，柳田裕隆，等.超聲波信號(hào)渡越時(shí)間參數(shù)法測(cè)量空氣中溫度分布［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2010，29（1）：53-57. FAN Honghui，ZHU Jinhong，HIROTAKA Yanagida，et al.Measurement of air temperature distribution based on ultrasonic time of flight［J］.Appl.Acoust.，2010，29（1）：53-57.

［3］田豐，邵福群，王福利.聲學(xué)法工業(yè)爐溫度場(chǎng)檢測(cè)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)［J］.科學(xué)技術(shù)，2002，30（6）：50-52. TIAN Feng，SHAO Fuqun，WANG Fuli.Status and key technology of acoustic method for industrial boiler temperature measurement［J］.Sci.Technol.，2002，30（6）：50-52.

［4］邵巖.聲學(xué)法溫度場(chǎng)圖像重建的研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2008.

［5］TSAI W Y，HUANG C F，LIAO T L.New implementation of high-precision and instant-response air thermometer by ultrasonic sensors［J］.Sens.Actuators A，2005，117（1）：88-94.

［6］張華宇，謝鳳芹，李強(qiáng).基于超聲波飛行時(shí)間的空氣溫度場(chǎng)重建［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2012，31（2）：93-97. ZHANG Huayu，XIE Fengqin，LI Qiang.Temperature field reconstruction system based on ultrasonic time-offlight technique［J］.Appl.Acoust.，2012，31（2）：93-97.

［7］HUANG Y P，WANG J S，HUANG K N，et al.Envelope pulsed ultrasonic distance measurement system based upon amplitude modulation and phase modulation［J］.Rev.Sci Instrum.，2007，78（6）：1-8.

［8］司春寧.基于超聲波的距離測(cè)量系統(tǒng)的研究及其應(yīng)用［D］.上海：東華大學(xué)，2009.

［9］閆茹.聲速修正公式分析［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2012，（5）：57-58. YAN Ru.Analysis of the sound velocity correction formula［J］.Inner Mongolia.Oils Chem.，2012，（5）：57-58.

［10］買買提熱夏提·買買提，亞森江·吾普爾，復(fù)爾開提·夏爾丁，等.簡(jiǎn)談空氣中的聲速與溫度關(guān)系［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2007，27（11）：43-44，47. MAMAT Mamatrishat，WUPUER Yasenjiang，XIAERDING Puerkaiti，et al.Brief study on the relation between sound velocity in the air and temperature［J］.Phys.Exp.，2007，27（11）：43-44，47.

［11］HUA H，WANG Y T，YAN D Y.A low-cost dynamic range-finding device based on amplitude-modulated continuous ultrasonic wave［J］.IEEE Trans Instrum.Meas.，2002，51（2）：362-367.

［12］王啟山.常見溫度下飽和水蒸汽分壓力的計(jì)算［J］.天津理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1986，（2）：40-43. WANG Qishan.The calculation of saturated steam partial pressure under the common temperature［J］.Journal of Tianjin Institute of Technology，1986，（2）：40-43.

［13］姚久民，王麗麗，客海濱，等.空氣密度與氣體普適常量測(cè)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（12）：24-26. YAO Jiumin，WANG Lili，KE Haibin，et al.Improvement of the experiment on air density and the universal gas constant［J］.Phys.Exp.，2011，31（12）：24-26.

［14］徐斌.一種考慮起振延遲的低頻超聲波短距高精度測(cè)量校準(zhǔn)方法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（5）：666-669. XU Bin.Identifying and calibrating start-up delay in short-range high-precision measurement with lowfrequency ultrasonic［J］.China J.Sens.Actuators，2013，26（5）：666-669.

［15］沈常宇，郭寶金.相位比較法高精度超聲測(cè)距研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（6）：893-895. SHEN Changyu，GUO Baojin.High accuracy distance measurement by ultrasonic based on the phase difference［J］.China J.Sens.Actuators，2010，23（6）：893-895.

Experimental study on temperature measurement system based on ultrasonic time-of-flight technique

SONG CanLIU ShiREN Siyuan
（The Ministry of Education Key Laboratory of Power station equipment condition monitoring and control，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Ultrasonic measurement technology is widely used in many industrial fields with the advantages of fast speed，low cost and wide measurement range.In order to meet the demand for temperature measurement in industry，in this paper，ultrasonic temperature measurement system is presented.Based on the relationship between ultrasonic propagation speed and environmental temperature，this system measures ultrasonic time of flight at a fixed distance to determine the average temperature in the air of a thermotank with MCU STC12 as the hardware circuit control core and amplitude and phase modulation rectangular wave as the transmitting wave.The measured data from MCU are processed and displayed by PC to verify the experimental results，in contrast with the temperature measured by the thermocouple in the thermotank.Experimental results show that the system can accurately measure the temperature in the range of 35°C to 90°C.

Ultrasonic，Temperature measurement，Ultrasonic transducer，Time of flight

TH811

A

1000-310X（2015）04-0351-07

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.04.010

2014-11-15收稿；2015-02-07定稿

?教育部111引智基地（B13009）

宋燦（1991-），女，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向：聲學(xué)層析成像。?

E-mail：102921sc@163.com