高精度分體式多通道超聲波溫度計的設計*

張?zhí)旌?，王培懿，張興紅，陳鴻雁

（1.重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心，重慶400054；2.重慶理工大學時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，重慶400054；3.重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶400054）

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高精度分體式多通道超聲波溫度計的設計*

張?zhí)旌?，2*，王培懿3，張興紅1，2，陳鴻雁3

（1.重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心，重慶400054；2.重慶理工大學時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，重慶400054；3.重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶400054）

摘要：針對傳統(tǒng)的溫度傳感器在極端與特殊條件下無法滿足測量的要求，設計了分體式多通道的超聲波溫度計。將多對測量頭均勻布置在裝有被測介質的容器外側的各個方位，利用FPGA的控制驅動信號精確確定超聲波傳播的起點時刻，通過分塊查找的特征波查找算法、高速高分辨率的信號采樣電路和直線插補算法相結合，利用過零點兩側的采樣點來實現(xiàn)對超聲波傳播時間終點時刻的高精度檢測，進而精確計算出超聲波傳輸時間。在傳播距離一定的條件下，以水為介質為例進行模擬實驗。結果表明：分體式多聲道超聲波溫度計能夠實現(xiàn)對超聲波傳輸時間的分辨率ns級的測量，從而確保了對溫度的高精度測量。

關鍵詞：分體式；超聲波；特征波；直線插補算法

溫度是國際單位制中七個基本的物理量之一［1］，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的過程中，對溫度的精確測量具有重大的現(xiàn)實意義。隨著科技的發(fā)展，溫度測量技術也經(jīng)歷了日新月異的變化。針對在高溫、真空、還原等強腐蝕性場合下不能用常規(guī)的傳感器，在不同的特殊場合，用特殊材料的保護管加熱電偶，進行溫度測量，但是存在的問題是熱電偶壽命短、偏差大［2-3］。紅外測溫具有測溫速度快、非接觸、測溫范圍廣等優(yōu)點，國際計量委員會在第18屆國際計量大會上首次把輻射測溫作為復現(xiàn)溫標的方法，但是輻射式測溫測量誤差比較大。對于大型空間或容器中物質的溫度測量，如大型鍋爐、反應釜中的高溫液體溫度測量［4-5］，傳統(tǒng)的接觸式測溫或者輻射測溫都是很難實現(xiàn)，因此急切需要一種新的測溫方法來獲得介質的內部溫度。

在理論上超聲波測溫是不受溫度限制的，在許多固體與液體中聲速一般隨溫度的變化而變化。超聲波頻率很高，在測量中可有效避免混入噪聲，使測量精度大大提高，而且超聲波的指向性好，可使聲波的干擾和反射最小，達到精確測量的要求［6-9］；本文根據(jù)超聲波在介質中傳播速度隨介質溫度變化而變化的特點，通過采用分體式多聲道結構，將多對測量頭均勻布置在裝有被測介質的容器外側的各個方位，讓超聲波在多聲道傳播，從而實現(xiàn)被測介質溫度的精確測量。

1　分體式多通道的結構設計

如圖1所示為分體式測量頭的安裝示意圖。圖中測量頭的核心部分是壓電超聲換能器。圖中四對超聲波換能器（E11與E21、E12與E22、E13與E23、E14與E24）分別被相對安裝在裝有被測介質的圓柱型容器外壁上，構成超聲波的多聲道傳播，其中換能器的安裝位置要低于被測介質的高度，以便于超聲波穿過被測介質。4個換能器E11、E12、E13、E14構成發(fā)射換能器組E1，發(fā)射換能器組E1用于發(fā)射超聲波信號；而換能器E21、E22、E23、E24構成接收換能器組E2，接收換能器組E2用于接收超聲波信號。

圖1　分體式測量頭的安裝示意圖

這種分體式安裝結構可以有效避免測量頭與被測介質接觸，降低了測量頭對材質的要求。同時，多對測量頭均勻布置在被測對象的各個方位，構成了多聲道的溫度測量系統(tǒng)，由此獲取多個位置的溫度值，對這幾個溫度值進行算術平均，就可得到最終的溫度值。這種設計降低了隨機誤差造成的影響，使得出的結果更接近真實值。

2　分體式多通道超聲波溫度測量系統(tǒng)原理

圖2所示的為分體式多通道超聲波溫度測量系統(tǒng)的原理框圖。分體式多通道超聲波溫度測量系統(tǒng)主要由現(xiàn)場可編程門列陣FPGA（Field Pro?grammable Gate Array）、中央處理單元CPU、超聲波發(fā)射換能器組E1、超聲波接收換能器組E2、通道切換電路、功率放大電路、D/A轉換電路、濾波電路、放大電路、A/D轉換電路、顯示電路、鍵盤電路和RS485串行通信構成。

中央處理單元CPU控制現(xiàn)場可編程門陣列FP?GA輸出驅動信號，信號依次通過D/A轉換電路和功率放大電路傳輸至通道切換電路，通道切換電路進行通道切換，使得有一定能量的驅動信號逐一輪流驅動發(fā)射換能器組E1中的換能器發(fā)射超聲波。接收換能器組E2中對應的換能器接收從發(fā)射換能器組E1中的換能器所發(fā)射的超聲波信號，將其轉換為超聲波回波信號，超聲波回波信號經(jīng)過濾波電路和放大電路處理后由A/D轉換電路進行采集，被采集的數(shù)據(jù)存儲在構造于FPGA內的存儲區(qū)內。

當數(shù)據(jù)采集完成后，中央處理單元CPU對存儲在FPGA內的數(shù)據(jù)進行實時分析處理，算出超聲波在每一組相對的換能器之間的傳播時間，由傳播時間間接計算出溫度值。這樣四對超聲波換能器就可以得到四個溫度值。最后CPU對這四個值進行算術平均就能得出最終的溫度值并在LED上顯示出來或者通過RS485將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌庠O終端。

3　超聲波時間測量方法

3.1特征波的確定

影響分體式超聲波溫度測量系統(tǒng)溫度精度的主要因素是超聲波傳播時間測量的準確性，為保證對溫度的精密測量，必須采用高精度的傳播時間測量方法來解決時間的測量問題。在超聲波測溫技術圖3超聲波的傳播時間中，超聲波的傳播時間就是換能器發(fā)射的超聲波信號與另一端換能器接收到的回波信號之間的時間間隔。因此只要準確確定超聲波傳播時間的起點和終點時間，就可以準確測量傳播時間。超聲波信號是換能器受到驅動信號的激勵下發(fā)射的，而超聲波驅動信號是由構建于FPGA中的信號發(fā)生器產(chǎn)生的，因此超聲波傳播的起點時刻可以由控制驅動信號產(chǎn)生的FPGA精確確定。在精確控制傳播時間起點的情況下，只要精確確定終點時刻就可以實現(xiàn)時間的精密測量。

圖3所示為超聲波波形隨時間變換曲線的示意圖。圖中超聲波信號為八個連續(xù)的幅值相等正弦波，而超聲波回波信號也是由一組連續(xù)的幅值不相等正弦信號組成，由于波形的疊加和信號的能量衰減，前八個波形的幅值逐漸增加，當幅值達到最大值后開始逐漸減小，直至幅值為零。超聲波傳播時間的起點設定為超聲波信號中第八個波形的過零點，則超聲波傳播時間的終點為換能器接收到的超聲波回波信號中幅值最大波形的過零點，如果將回波信號中幅值最大的波形稱為特征波，將特征波的過零點稱為特征點，那么超聲波傳播時間的終點就是特征點［10］。

圖3　超聲波波形隨時間變換曲線

3.2特征波查找算法

首先要找到存儲在FPGA內部RAM存儲模塊中幅值較大的采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)該采樣數(shù)據(jù)查找采樣點的幅值，進而找到回波信號中波形最大的特征波。在對特征波查找算法進行軟件設計時，既要能夠實現(xiàn)預期的功能，同時還要保證程序的運行效率。數(shù)據(jù)查找是計算機應用中常用的一種基本運算，在實際應用中比較常用的查找算法包括：順序查找、折半查找、分塊查找和散列查找四種［11］。順序查找算法效率低，折半算法對數(shù)據(jù)列表要求較高，只適用于已經(jīng)列好序列的數(shù)據(jù)表，散列查找算法則是不容易建立散列函數(shù)，分塊查找算法采用將順序查找算法與折半查找算法相結合，既保證了查找效率，又降低了對數(shù)據(jù)列表的要求，同時軟件程序處理難度較低，非常適合對回波信號中最大特征波的查找。

基于分塊查找算法的最大特征波程序流程圖如圖4所示。首先采用分塊查找算法將RAM存儲模塊中的數(shù)據(jù)分成20塊，在每一塊中以每32個數(shù)據(jù)編為1組查找出每一組的最大值，再將各組的最大值進行比較找出最大值，確定特征波。

圖4　最大特征波查找程序流程圖

3.3基于A/D采樣和直線插補的時間測量方法

為保證分體式多通道超聲波溫度計達到0.001℃的分辨率，超聲波傳播時間的測量必須達到或小于納秒級。傳播時間測量原理是：通過采用高速高分辨率的信號采樣電路和直線插補算法對回波信號特征波上的所有采樣點進行分析和計算，利用過零點兩側的采樣點來實現(xiàn)對超聲波傳播時間終點時刻的高精度檢測，進而精確計算出超聲波傳輸時間，保證對溫度高精度的測量。具體算法如下：第一，通過模數(shù)轉換A/D采樣電路對超聲波回波信號進行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)存儲在FPGA內部的RAM中；第二，對A/D采樣數(shù)據(jù)逐點進行比較從中找出幅值最大的特征波；第三，在特征波確定以后，找出特征波上的兩個點P和P1，其中點P的采樣值大于零，P1的采樣值小于零，則特征波的過零點P0，即超聲波傳播時間的終點就在這兩點之間。第四，根據(jù)采樣點P和P1兩點所對應的時刻的值，利用數(shù)字擬合細分插補算法精確計算出超聲波傳輸時間的終點P0所對應的時刻。最后，用超聲波終點時刻減去起點時刻算出超聲波傳輸時間。

設fA/D為模數(shù)轉換A/D的采樣頻率，tA/D為相鄰的兩點之間的時間；N為第一個采樣點到點P之間的采樣點個數(shù)，V1為點P的采樣值，t1為點P所處時刻；V2為點P1的采樣值；t2為點P與點P0之間的時間，tend為點P0對應的時刻為，tstart為超聲波傳播時間的起點時刻，t為超聲波的傳輸時間，?u為超聲波信號的輸入頻率則：

在過零點附近將正弦波當作直線來處理，采用直線插補方法可以計算出t2：

超聲波傳輸時間的終點時刻為：

超聲波傳輸時間的起點時刻為tstart，過零點P0對應的時刻為tend，則超聲波的傳輸時間為t［12］：

由式（1）、式（2）、式（5）及文獻［12］可知超聲波傳播時間的分辨率R為：

由上述分析可以知道：超聲波傳播時間的測量分辨率與A/D轉換芯片的分辨率的位數(shù)以及超聲波的頻率有關。超聲波頻率越高，超聲波傳輸時間測量越精確；當超聲波輸入頻率?u為定值時，選用的A/D分辨率RA/D位數(shù)越高，一個周期內采樣的點數(shù)越多，采樣就越精確。當超聲波信號的頻率?u為1 MHz，A/D轉換芯片ADC12DL040的分辨率RA/D是12 bit，則超聲波傳輸時間的分辨率R為：

4　實驗研究

4.1達到ns級的分辨率實驗研究

在超聲波傳播距離已知時，溫度的測量就轉化為傳播時間的測量。因此要實現(xiàn)高精度的溫度測量就必須解決時間的精密測量問題，傳播時間的測量精度必須達到甚至優(yōu)于1 ns。實驗中以水作為傳播介質，并將超聲波的傳播距離設為338 mm，在溫度為25℃時，在一小時內測出的傳播時間數(shù)據(jù)中，取150個連續(xù)數(shù)據(jù)。通過該實驗可以反映超聲波傳播時間的測量精度，以及傳播時間測量重復性。

為了更加清楚的看出超聲波傳播時間的具體情況，將取得的150個超聲波傳播時間數(shù)據(jù)進行算術平均，求得結果為225 403.112 ns，將傳播時間數(shù)據(jù)與算術平均值作差值運算，得出圖5所示的超聲波傳播時間誤差曲線。從圖5的誤差曲線可以看出，在溫度為25℃的恒溫條件下，超聲波傳播時間的測量誤差在±1.2 ns之間，其中絕大部分的測量誤差在±0.9 ns之間，只有少量的測量誤差大于1 ns。采用中位值平均濾波法能夠消除偶然的脈沖干擾所造成的采樣值的偏差［13］，能夠達到分體式超聲波溫度測量系統(tǒng)對傳播時間測量精度優(yōu)于1 ns的要求。

圖5　超聲波傳播時間誤差曲線

4.2時間與溫度的關系實驗分析

同樣以水作為超聲波的傳播介質，超聲波傳播的介質溫度與超聲波傳播時間的關系曲線如圖6所示，曲線上的點取值為對相同溫度條件下，取6個傳播時間數(shù)據(jù)的平均值，從圖6中可以看到超聲波傳播時間是隨環(huán)境溫度的升高而相應地縮短。具體對應不同的介質與特殊溫度的條件下，超聲波的傳播速度與溫度之間的特定關系，還需要通過建模與特定的實驗條件下來確定，從而驗證超聲波溫度計的可行性［14］。

圖6　溫度與傳播時間的關系圖

5　結論

為解決極端與特殊條件下不能用傳統(tǒng)的溫度傳感器進行溫度測量，設計了分體式多通道的超聲波溫度計，將多對測量頭均勻布置在裝有被測介質的容器外側的各個方位，構成了多聲道的溫度測量系統(tǒng)。以FPGA為核心，驅動信號精確確定超聲波傳播時間的起點時刻，超聲波傳播中特征波的過零點就是超聲波傳播時間的終點時刻。采用基于分塊查找的特征波查找算法與基于A/D采樣和直線插補的時間測量方法，能夠精確的實現(xiàn)超聲波有效回波信號的自動采集，使分體式多通道超聲波溫度計對傳播時間測量精度優(yōu)于1 ns的要求，能夠實現(xiàn)分辨率高于0.001℃的溫度測量。

參考文獻：

［1］楊永軍.溫度測量技術現(xiàn)狀和發(fā)展概述［J］.計測技術，2009 （4）：62-65.

［2］王魁漢，吳玉峰，張廣立.特殊場合下的溫度測量技術［J］.上海計量測試，2004（1）：8-12.

［3］于坤，尹立強.超聲測溫技術及應用［J］.機械與電子，2010，13：87.

［4］張瑜，張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統(tǒng)設計［J］.傳感技術學報，2010，23（3）：311-314.

［5］常蕾，趙儉.超聲波測溫度技術在高溫氣流溫場測量中的應用［J］.計測技術，2014，34（1）：1-4.

［6］崔曉志，王翥.超聲波熱量表流量計量中溫度補償算法研究［J］.傳感技術學報，2015，28（8）：1169-1175.

［7］韓霜，羅海勇，陳穎，等.基于TDOA的超聲波室內定位系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.傳感技術學報，2010，23（3）：347-353.

［8］Said A Alzebda，Alexander N Kalashnikov，Ultrasonic Sensing of Temperature of Liquids Using Inexpensive Narrowband Piezoelec?tric Transducers［J］.Measurement Science＆Technology，2010，57（12）：2704-2711.

［9］Shih J L，Kobayashi M.Flexible Ultrasonic Transducers for Struc?tural Health Monitoring of Pipes at High Temperatures［C］//Ultra?sonics Symposium（IUS），2009 IEEE International.［s.l.］：IEEE，2009，681-684.

［10］張興紅，邱磊，陳鑫.高精度多聲道超聲波密度計［J］.儀表技術與傳感器，2015（2）：20-22.

［11］彭曉川.折半查找算法優(yōu)化分析［J］.電子制作，2013，24：25.

［12］張興紅，張慧，陳錫侯，等.一種精密測量超聲波傳輸時間的方法［J］.北京理工大學學報，2011（6）：717-721.

［13］馬立玲，郭坤，王軍政.液體超聲流量測量中的傳播時間精度分析［J］.儀器儀表學報，2012（5）：1028-1034.

［14］胡鶴鳴，王池，孟濤，等.超聲流量計幾何參數(shù)測算方法及其不確定度分析［J］.儀器儀表學報，2010，31（7）：1583-1587.

張?zhí)旌悖?973-），男，甘肅武威人，碩士，工程師，主要研究方向為精密儀器及機械和智能傳感器，zth@cqut.edu.cn；

張興紅（1970-），男，甘肅武威人，博士，教授，主要研究方向為幾何量精密測量技術與傳感器，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

中圖分類號：TP216

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）02-0177-05

項目來源：國家自然科學基金項目（51275551，51405049，51406020）；國家科技部重大科學儀器設備開發(fā)專項項目（2013YQ220893）