張興紅，邱　磊，何　濤，王先全，張?zhí)旌?/p>

(重慶理工大學(xué)，時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400054)

0　引言

近年來(lái)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)溫技術(shù)也有著很大的進(jìn)步。目前各國(guó)都在針對(duì)性地競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊實(shí)用的測(cè)量技術(shù)[1]。超聲波測(cè)溫研究在我國(guó)尚屬開(kāi)始階段，有關(guān)超聲測(cè)溫計(jì)的相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)較少[2]，而現(xiàn)階段整體的超聲測(cè)溫水平不高，因此對(duì)精密的超聲波測(cè)溫技術(shù)的研發(fā)顯得很有必要[3]。

超聲波測(cè)溫技術(shù)是最近幾十才年發(fā)展起來(lái)的一種新型的測(cè)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(shí)現(xiàn)的[4]。超聲波在氣體介質(zhì)中傳播時(shí)的速度每秒約數(shù)百米，當(dāng)溫度升高時(shí)超聲波的傳播速度會(huì)增大。例如，溫度為0℃時(shí)空氣中音速為331.4 m/s，15℃時(shí)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(shí)，可以根據(jù)測(cè)得的超聲波在不同溫度下的傳播時(shí)間測(cè)出溫度值。超聲波溫度計(jì)通過(guò)檢測(cè)聲速的變化可以對(duì)極高溫進(jìn)行精密檢測(cè)，這一技術(shù)可以運(yùn)用于普通設(shè)備(如像熱電偶溫度計(jì)、光學(xué)溫度計(jì)等)所不能檢測(cè)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(cè)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(guò)對(duì)氣體媒介中超聲波波速的測(cè)量來(lái)測(cè)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(duì)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(shí)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(cè)出超聲波在氣體介質(zhì)中的傳播時(shí)間t，就能夠求得介質(zhì)的溫度T．將超聲波應(yīng)用于測(cè)距系統(tǒng)中時(shí)，波速受溫度的影響常常會(huì)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(cè)溫時(shí)，則正是利用超聲波波速的變化來(lái)測(cè)量溫度的[7]。

3　超聲波溫度計(jì)原理

超聲波測(cè)溫是一種新的測(cè)溫技術(shù)，可用于超低溫測(cè)量和高溫高壓氣體的測(cè)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(shí)，可以通過(guò)測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間，間接的測(cè)量溫度。超聲波溫度計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　超聲波溫度計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

該溫度計(jì)主要由超聲波溫度傳感器、超聲波驅(qū)動(dòng)電路、回波信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)[9]。在該溫度計(jì)的設(shè)計(jì)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(shí)，超聲波會(huì)發(fā)生反射，這時(shí)反射回來(lái)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(hào)又能夠用于超聲波回波信號(hào)的接收，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以的減小傳感器的的尺寸以及換能器的個(gè)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(guò)程中的的通道，而介質(zhì)則是在傳播過(guò)程中超聲波的載體。超聲波換能器驅(qū)動(dòng)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(hào)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(chǎng)可編程門(mén)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(kāi)始采樣命令后，F(xiàn)PGA先通過(guò)通道切換電路啟動(dòng)對(duì)超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建于FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器發(fā)送頻率為1MHz的8個(gè)周期的正弦信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(duì)超聲波換能器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。

超聲波在介質(zhì)中的傳播過(guò)程中，當(dāng)超聲波傳播到兩種不同介質(zhì)的分界面上時(shí)會(huì)發(fā)生反射，超聲波換能器處于接受狀態(tài)時(shí)接收從管體的另一端反射回來(lái)的超聲波信號(hào)，并將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。換能器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把采樣值逐一存入構(gòu)建于FPGA內(nèi)的RAM存儲(chǔ)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(hào)發(fā)生器的數(shù)據(jù)精確確定超聲波信號(hào)中起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻tQD．然后CPU發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，讀取暫存于RAM存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)，精確計(jì)算超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，從而可以得到超聲波傳輸時(shí)間的精確值。最后CPU根據(jù)超聲波傳輸時(shí)間與溫度的關(guān)系精確計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的溫度。

3　超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)及回波信號(hào)

超聲波換能器上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jì)中選用的超聲波激勵(lì)信號(hào)為連續(xù)8個(gè)1 MHz的超聲波正弦信號(hào)，這是根據(jù)超聲波精度和設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)太少會(huì)影響超聲波傳輸時(shí)間的計(jì)算精度；但波形太多，則數(shù)據(jù)量會(huì)很大不好處理，選擇8個(gè)正弦波信號(hào)時(shí)回波信號(hào)比較好，同時(shí)需要處理的數(shù)據(jù)量也不是很多，便于精密測(cè)量的數(shù)據(jù)分析和處理。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)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(hào)，超聲波激勵(lì)信號(hào)的能量要求足夠大以驅(qū)動(dòng)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出超聲波。

當(dāng)換能器處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，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(hào)，該信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，產(chǎn)生超聲波回波信號(hào)，回波信號(hào)的幅值隨著換能器接收到的超聲波信號(hào)的連續(xù)激勵(lì)而逐漸增大，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)停止時(shí)，換能器的機(jī)械振動(dòng)在慣性的作用下仍然會(huì)持續(xù)并逐漸衰減，回波信號(hào)的幅值也逐漸減小，因此超聲波回波信號(hào)是一個(gè)變幅周期性信號(hào)[10]，其周期對(duì)應(yīng)于超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期。回波信號(hào)中最有特征的波是幅值最大的那個(gè)波，可以稱(chēng)之為特征波，在特征波中，最有特征的點(diǎn)是過(guò)零點(diǎn)和峰值點(diǎn)，選擇過(guò)零點(diǎn)作為回波信號(hào)的特征點(diǎn)。超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)及回波信號(hào)如圖2所示。

圖2　超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)及回波信號(hào)

4　精密測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間

有前面的超聲波的溫度特性可以知道：測(cè)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(zhǎng)度一定時(shí)，通過(guò)測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間就可以得出超聲波的傳播速度。因此，設(shè)計(jì)中的溫度測(cè)量的精度取決于超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度[9]。設(shè)計(jì)中的超聲波溫度計(jì)是一種測(cè)量分辨率可達(dá)0.001℃的精密溫度測(cè)量?jī)x器，而溫度測(cè)量要達(dá)到較好的準(zhǔn)確度和分辨率，該超聲波時(shí)間信號(hào)的測(cè)量誤差必須達(dá)到ns級(jí)，這是超聲波測(cè)溫技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[7]。

超聲波的傳播時(shí)間就是超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)與回波信號(hào)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的時(shí)間差。精密測(cè)量超聲波德傳輸時(shí)間的關(guān)鍵點(diǎn)是確定超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)，其精度依賴(lài)于終點(diǎn)的精確確定[11]。超聲波在傳播傳播過(guò)程中的起點(diǎn)時(shí)刻是超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)中第8個(gè)正弦波的過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，其可以FPGA精確控制。超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)是回波信號(hào)上的特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。通過(guò)采用細(xì)分插補(bǔ)算法對(duì)回波信號(hào)特征波上的所有采樣點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算，可以得到超聲波傳輸?shù)慕K點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

文中超聲波傳輸時(shí)間的計(jì)算方法是：(1)逐點(diǎn)比較A/D采樣點(diǎn)確定特征波；(2)確定超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)P0前后的兩個(gè)采樣點(diǎn)P和P1，又點(diǎn)P0為過(guò)零點(diǎn)，則點(diǎn)P的采樣值大于零，點(diǎn)P1的采樣值小于零；(3)根據(jù)采樣點(diǎn)P和P1兩點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻的值精確計(jì)算出超聲波傳輸時(shí)間的終點(diǎn)P0所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。最后，比較用超聲波終點(diǎn)時(shí)刻減去起點(diǎn)時(shí)刻算出超聲波傳輸時(shí)間。超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的示意圖如圖3所示。

圖3　超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的示意圖

設(shè)A/D的采樣頻率為fA/D，則相鄰的兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為tA/D；從第一個(gè)采樣點(diǎn)到采樣點(diǎn)P之間的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N，采樣點(diǎn)P的采樣值為V1，采樣點(diǎn)P的時(shí)刻為t1；采樣點(diǎn)P1的采樣值為V2；采樣點(diǎn)P與過(guò)零點(diǎn)P0的時(shí)間差為t2，超聲波信號(hào)中起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻tQD；終點(diǎn)P0對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為tZD，超聲波的傳輸時(shí)間為t，則：

(4)

(5)

在過(guò)零點(diǎn)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(diǎn)的時(shí)刻tZD：

(7)

從上式可知，超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)時(shí)刻的分辨率R為：

(8)

超聲波回波信號(hào)的頻率與驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)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(shí)，則最多有16個(gè)數(shù)據(jù)可以在從正的最大值到負(fù)的最大值的半個(gè)周期內(nèi)被采集，將這個(gè)半個(gè)周期內(nèi)的的波形看作成直線，由圖3的曲線可知：過(guò)零點(diǎn)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(shí)間為：

(11)

超聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)時(shí)刻可以由基于FPGA的硬件電路精確確定，所以對(duì)超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)量時(shí)只需要考慮傳播時(shí)間的終點(diǎn)時(shí)刻的分辨率有關(guān)系，因此超聲波傳播時(shí)間的分辨率也應(yīng)該小于0.122 ns．由于管體的長(zhǎng)度是固定的，只要測(cè)得超聲波在管體中的傳播的精確時(shí)間，則溫度就可以被精確地檢測(cè)出來(lái)。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(shí)，超聲波在20℃時(shí)的空氣中的傳播時(shí)間是8.720 9×10-4s，在21℃時(shí)的空氣中的傳播時(shí)間是8.705 7×10-4s，則超聲波的傳輸時(shí)間在空氣的溫度為21℃時(shí)和20℃時(shí)有一個(gè)1.52×10-6s的差值?？諝鉁囟葹?1℃時(shí)和20℃時(shí)，溫度差為1℃，而此時(shí)的時(shí)間差為1.52×10-6s，欲使溫度計(jì)要求達(dá)到溫度測(cè)量的分辨率優(yōu)于0.001℃的要求，則對(duì)超聲波信號(hào)的時(shí)間測(cè)量的分辨率必須優(yōu)于1.0×10-9s，文中設(shè)計(jì)的超聲波溫度計(jì)可以達(dá)到這個(gè)要求。

5　結(jié)論

超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)，其波速會(huì)受介質(zhì)溫度的影響，當(dāng)介質(zhì)的溫度不同時(shí)超聲波的波速也會(huì)不同。因此，可以通過(guò)測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間來(lái)測(cè)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(shí)間的測(cè)量精度達(dá)到納秒級(jí)，從而達(dá)到對(duì)溫度的高精度測(cè)量。通過(guò)分析和計(jì)算，該超聲波溫度計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)的超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的分辨率優(yōu)于1.0×10-9s，進(jìn)而可以達(dá)到溫度測(cè)量的分辨率優(yōu)于0.001℃，可以對(duì)溫度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量。

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