張興紅，陳　鑫，蔣洪慶，何　濤

（重慶理工大學(xué)機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心；時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶400054）

高精度分體式超聲波溫度測量儀研究*

張興紅*，陳鑫，蔣洪慶，何濤

（重慶理工大學(xué)機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心；時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶400054）

傳統(tǒng)的溫度測量儀在較寬的測量范圍內(nèi)無法保證穩(wěn)定的高精度測量，針對此種不足，設(shè)計了一種高精度分體式多聲道超聲波溫度測量儀。該溫度測量儀利用超聲波測溫技術(shù)，以被測物體作為傳播媒介，在傳播距離確定的條件下，通過測得超聲波在介質(zhì)中的傳播時間間接測得介質(zhì)的溫度。分體式多聲道的結(jié)構(gòu)設(shè)計使溫度測量準(zhǔn)確有效，同時降低了傳感器材質(zhì)在耐高溫、耐腐蝕方面的限制要求?；贔PGA的快速處理電路以及細分插補算法，使傳播時間的測量分辨率優(yōu)于納秒級，確保實現(xiàn)分辨率優(yōu)于0.001℃的高精度溫度測量。

精密測量；超聲波測溫；分體式；細分插補

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.021

溫度是國際單位制中七個基本的物理量之一，是表征物體熱物性的重要參數(shù)，對溫度進行精密測量具有非常重要的現(xiàn)實意義。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，溫度測量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展［1］。

超聲波測溫技術(shù)是根據(jù)超聲波通過介質(zhì)傳播時的波速與介質(zhì)溫度有關(guān)這一原理來實現(xiàn)溫度測量的［2］。超聲波測溫具有非接觸式測量和快速時間響應(yīng)等特點，已經(jīng)成為一種非常有前景的測溫方法［3］。與傳統(tǒng)測溫技術(shù)相比，超聲波測溫具有多方面的優(yōu)勢，可望應(yīng)用于電站鍋爐的溫度場實時監(jiān)測、火箭排氣、汽缸燃燒氣體、熔融液、核反應(yīng)堆石墨芯等處的測溫［4-5］。

現(xiàn)有的整體式超聲波溫度測量儀，其單對測頭的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計無法消除多次測量帶來的隨機誤差，為提高超聲溫度測量精度，在超聲溫度傳感器中采用多聲道測量方式［6］，從結(jié)構(gòu)上著手，降低隨機誤差對測量精度造成的影響。本文通過采用分體式多聲道結(jié)構(gòu)，提供一種高精度超聲波溫度測量儀研究方法。將多對測頭均勻布置在裝有被測介質(zhì)的容器外側(cè)的各個方位，讓超聲波在多聲道傳播，從而實現(xiàn)被測介質(zhì)溫度的精確測量。

1　分體式測頭的安裝設(shè)計

測頭的核心部分是壓電超聲換能器，它可以把具有一定能量的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為機械振動從而發(fā)出超聲波，也可以將由超聲波產(chǎn)生的機械振動轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號［7］。如圖1所示為分體式測頭的安裝示意圖。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(zhì)的圓柱型容器外壁上，構(gòu)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(zhì)的高度，以便于超聲波穿過被測介質(zhì)。四個換能器E11、E12、E13、E14構(gòu)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(gòu)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　分體式測頭的安裝示意圖

這種分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效的避免測頭與被測介質(zhì)之間的接觸，在溫度測量時，能夠降低對傳感器材質(zhì)的耐高溫性能和耐腐蝕性等要求。同時采用的是多聲道測量，通過對超聲波在多個聲道間的傳播得到溫度值進行算術(shù)平均而得出最終溫度值。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計降低了測量過程中隨機誤差造成的影響，使得到的測量結(jié)果更加真實可靠。

2　超聲波驅(qū)動電路及驅(qū)動信號

超聲波驅(qū)動電路框圖如圖2所示。其主要功能是產(chǎn)生超聲波驅(qū)動信號并激勵發(fā)射換能器組發(fā)射超聲波。

圖2　超聲波驅(qū)動電路框圖

在CPU控制下，構(gòu)建于FPGA內(nèi)的發(fā)生器發(fā)出一組數(shù)字正弦波信號，該信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D/ A）、放大濾波電路的處理后轉(zhuǎn)換成一組模擬正弦波，也就是超聲波驅(qū)動信號。超聲波就是在該驅(qū)動信號的作用下由發(fā)射換能器組E1產(chǎn)生的。超聲波在傳播過程中，頻率越高則方向性越好，能量越集中，且超聲波頻率越高，測量精度越好，但是頻率越高超聲波衰減也越大，會導(dǎo)致超聲波的傳播距離變短，同時還會增加電路設(shè)計的難度。綜合考慮將超聲波驅(qū)動信號設(shè)置為頻率為1 MHz的正弦波。

超聲波的發(fā)射方式采用脈沖群觸發(fā)，因此在設(shè)計超聲波驅(qū)動電路時還要考慮發(fā)射的驅(qū)動信號中波形的個數(shù)，即脈沖群中脈沖的個數(shù)。在保證基本精度需求前提下可以通過降低采樣率來減少計算復(fù)雜度，提高實時性［8］。因而將驅(qū)動信號中波形個數(shù)設(shè)定為8個。如圖3所示為超聲波驅(qū)動信號波形圖。

圖3　超聲波驅(qū)動信號的波形圖

3　回波信號處理電路及超聲波回波信號

超聲波回波信號處理電路框圖如圖4所示，其主要功能是對換能器接收到的信號進行處理，并根據(jù)傳播時間與溫度的關(guān)系算出溫度值。

圖4　超聲波回波信號處理電路框圖

當(dāng)超聲波經(jīng)過大型容器中的介質(zhì)傳播到另一端的接收換能器組E2時就會被轉(zhuǎn)換成電信號，該信號稱為超聲波回波信號。如圖5所示為超聲波回波信號的波形圖。由圖可知:超聲波回波信號的幅值先增大后逐漸減小到零，成變幅值的周期性變化。超聲波回波信號與驅(qū)動信號相對應(yīng)，隨著驅(qū)動信號中正弦波的連續(xù)發(fā)射，回波信號的幅值逐漸增大，驅(qū)動信號的第8個正弦波剛好對應(yīng)回波信號幅值最大的波，當(dāng)驅(qū)動信號發(fā)射完后回波信號幅值逐漸減小到零。在超聲波回波信號中將幅值最大的那個波形稱為特征波，將特征波上的過零點稱為特征點。

圖5　超聲波回波信號波形圖

在測溫過程中，超聲波的傳播時間很短，要達到精確測量的目的就要保證回波信號處理電路中A/D采樣和數(shù)據(jù)采集的速度要快、精度要高同時還有足夠的存儲空間。因此，在超聲波回波信號處理電路中，高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換電路和快速的FPGA是溫度精確測量的硬件保障。在本設(shè)計研究中選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是NS公司的ADC12DL040芯片。該芯片具有12位的分辨率和40 MHz的轉(zhuǎn)換頻率滿足對超聲波回波信號進行高速高精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。在ADC12DL040芯片完成A/D轉(zhuǎn)換后要保證有足夠的存儲空間來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲，而在FPGA內(nèi)部能構(gòu)造穩(wěn)定可靠的內(nèi)存，不需要大量的控制信號、數(shù)據(jù)線、地址線，節(jié)省芯片的I/O引腳，能夠滿足數(shù)據(jù)的高速存儲［9］。

4　超聲波傳播時間的精密測量

超聲波測溫技術(shù)是根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度來間接得到介質(zhì)的溫度［10］。當(dāng)傳播距離一定時，通過測超聲波的傳播時間就可以間接測出介質(zhì)溫度。由此可知:影響溫度測量精度的主要因素是超聲波傳播時間測量的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確測量超聲波傳播時間是準(zhǔn)確測量溫度的前提［11］，當(dāng)超聲波傳播時間的測量精度越高，則溫度測量的精度越好。因此在超聲波信號檢測中，必須采用高精度的傳播時間測量方法和信號的有效性檢測方法。

在超聲波測溫技術(shù)中，超聲波的傳播時間就是發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波信號上的任意一點與接收換能器接收到的回波信號上相應(yīng)的那一點之間的時間間隔［12］。超聲波傳播時間測量的關(guān)鍵在于超聲波傳播的起點和終點的精確確定。超聲波信號是換能器受到驅(qū)動信號的激勵下發(fā)射的，而超聲波驅(qū)動信號是在CPU的控制下由構(gòu)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CPU精確確定。因此超聲波傳輸時間精密測量的關(guān)鍵是確定傳播時間的終點，其精度依賴于對終點的精確確定［13］。

圖6　超聲波波形與傳播時間對應(yīng)關(guān)系曲線

將超聲波傳輸時間的起點設(shè)為發(fā)射換能器所發(fā)射的超聲波信號中最后那個波的過零點，則超聲波傳播時間的終點為接收換能器接收到的超聲波信號上幅值最大波形的過零點（特征點）。如圖6所示為超聲波波形與傳播時間對應(yīng)關(guān)系的示意圖。

設(shè)計中通過將高速高分辨率的信號采樣電路和直線插補算法相結(jié)合，精確計算超聲波傳播時間的終點時刻，實現(xiàn)超聲波傳輸時間的精密測量，從而保證對溫度高精度的測量。其具體算法如下:

設(shè)A/D采樣電路的的采樣頻率為fA/D，A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率是RA/D位，超聲波的頻率為fu，采樣點P的采樣值為V1，所處時刻為t1；采樣點P1的采樣值為V2，采樣點P與過零點P0之間的時間為t2，在過零點附近較小的區(qū)域內(nèi)，將正弦波曲線看成直線，根據(jù)直線插補的方法確定t2:

從第一個采樣點到采樣點P之間的采樣點的個數(shù)為N，則特征波過零點所對應(yīng)的時刻，即超聲波傳輸時間終點所對應(yīng)的時刻tend為:

又因為超聲波傳播時間的起點時刻tstart可以由CPU精確控制，則超聲波的傳播時間t為:

由式（3）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(zhuǎn)換芯片的分辨率的位數(shù)以及超聲波的頻率有關(guān)。超聲波頻率越高，A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率的位數(shù)越高，則超聲波傳播時間的分辨率越高。

又超聲波驅(qū)動信號的頻率為1 MHz，A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC12DL040的分辨率是12位，則超聲波傳輸時間的分辨率R為:

安裝在圓柱型容器上多對換能器之間的距離均是固定的，測得在不同溫度下超聲波在兩個相互對應(yīng)的換能器之間的傳播時間，就可以計算出四個與之相對應(yīng)溫度值，對這四個溫度值求算術(shù)平均得到的結(jié)果就是最終的溫度值。當(dāng)傳播距離為1 m時，超聲波在20℃和21℃的水中的傳播速度與傳播時間如表1所示。

表1　超聲波在不同溫度的水中的傳播速度與傳播時間

由表1可知在21℃時和20℃時超聲波的傳輸時間差為1.363 2×10-6s。欲使溫度測量儀要求達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)于納秒級。通過高分辨率的A/D采樣電路以及細分插補算法使超聲波傳輸時間的測量分辨率達到0.122 ns，可以實現(xiàn)分辨率優(yōu)于0.001℃的溫度測量。

5　超聲波溫度測量儀的系統(tǒng)組成

圖7　超聲波溫度測量儀原理框圖

根據(jù)以上方法，超聲波溫度測量儀的原理框圖如圖7所示。本溫度測量儀主要超聲波發(fā)射換能器組E1（包括換能器E11、E12、E13、E14）、超聲波接收換能器組E2（包括換能器E21、E22、E23、E24）、中央處理單元CPU、現(xiàn)場可編程門列陣FPGA、A/D轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路、功率放大電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、通道切換電路、顯示電路和鍵盤電路等構(gòu)成。發(fā)射換能器組E1中的換能器與接收換能器組E2中的換能器兩兩相對安裝在裝有被測介質(zhì)的容器外壁上。

首先，超聲波驅(qū)動電路產(chǎn)生周期為1 MHz波形個數(shù)為8個的正弦波脈沖群信號。該驅(qū)動信號通道切換電路逐一輪流驅(qū)動發(fā)射換能器組E1中的換能器發(fā)射超聲波。

其次，接收換能器組E2中與之對應(yīng)的換能器將接收到超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，即超聲波回波信號，該信號經(jīng)過回波信號處理電路處理后，將被采集的數(shù)據(jù)存儲在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存儲區(qū)內(nèi)。

然后，CPU利用細分插補算法對存儲在FPGA內(nèi)的數(shù)據(jù)實時處理，算出超聲波在一對相對安裝的換能器之間的傳播時間。再通過傳播時間與溫度的關(guān)系間接算出一個溫度值。

通道切換電路進行通道切換，超聲波驅(qū)動信號逐個輪流驅(qū)動換能器組E1中的換能器，使超聲波在兩兩安裝的換能器E11與E21、E12與E22、E13與E23、E14與E24之間完成發(fā)射和接收，從而可以得到四個溫度值，最后CPU對這四個值求算術(shù)平均就能得出最終的溫度值并在LCD上顯示出來或通過RS485將數(shù)據(jù)傳到其他外設(shè)終端。

6　超聲波傳播時間實驗分析

經(jīng)分析，超聲波溫度測量的關(guān)鍵在于傳播時間的精密測量，如果傳播時間的測量能達到ns級，那么影響超聲波溫度測量儀精密性的最關(guān)鍵問題將得以解決。圖8所示為在恒溫實驗室內(nèi)溫度為25℃，傳播距離為338 mm時，一個小時的時間內(nèi)測出的3 856個傳播時間數(shù)據(jù)中的150個連續(xù)數(shù)據(jù)對應(yīng)的誤差曲線，圖中超聲波傳播時間的平均值225.403 1 us。由圖可以看出，傳播時間的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，誤差值大多集中在±0.3 ns之內(nèi)，只有個別傳播時間誤差大于1 ns，說明時間測量的重復(fù)性、穩(wěn)定性相對比較好。雖然沒能達到理論分辨率的0.122 ns，但誤差仍然在ns級別，初步滿足超聲波溫度測量儀對時間精密測量的要求。

從圖8中可以看出有極少量傳播時間的誤差大于1 ns，出現(xiàn)這種情況的原因是測量的傳播時間存在噪聲干擾，如A/D轉(zhuǎn)換中的噪聲、超聲波傳播途中的噪聲、換能器噪聲等。為提高傳播時間的測量精度，為溫度的精密測量創(chuàng)造良好的條件，采用中值濾波法進行優(yōu)化處理去除噪聲。濾波后超聲波傳播時間誤差曲線如圖9所示，濾波后超聲波傳播時間的誤差在±0.3 ns之內(nèi)，驗證了所設(shè)計的硬件電路和細分插補算法實現(xiàn)時間精密測量的可行性，這為后期溫度的高精度測量奠定了良好的研究基礎(chǔ)。

完成超聲波傳播時間的優(yōu)化處理后，對超聲波傳播時間與介質(zhì)溫度之間的關(guān)系進行驗證。圖10所示為超聲波傳播距離為338 mm時以水作為超聲波傳播介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)溫度由13.1℃上升到13.3℃時，超聲波傳播時間由226 368.4 ns下降到226 217.3 ns，在此溫度變化區(qū)間內(nèi)超聲波傳播時間與介質(zhì)溫度成反比，即傳播時間隨溫度的增加而逐漸變小。

圖8　超聲波傳播時間誤差曲線

圖9　濾波后超聲波傳播時間誤差曲線

圖10　溫度（13.1℃～13.3℃）對應(yīng)的傳播時間變化曲線

7　結(jié)論

針對現(xiàn)有的整體式超聲波溫度測量儀所存在的局限性，提出了一種測量分辨率優(yōu)于0.001℃的分體式多聲道超聲波溫度測量儀的設(shè)計思路，有如下特點:

①將被測對象作為超聲波傳播的介質(zhì)，當(dāng)超聲波傳播距離確定時，通過精密測量測得超聲波的傳播時間就可精密測得被測對象的溫度值。

②將測頭安裝在被測介質(zhì)容器的外側(cè)，有效避免了測頭與被測介質(zhì)接觸，降低了對測頭材質(zhì)的要求。

③采用多聲道測量，將多對測頭均勻布置在被測對象的各個方位，由此獲取多個位置的溫度值，取其算術(shù)平均值，削弱了隨機誤差造成的影響，使得結(jié)果更接近真實值。

④采用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換電路和直線插補算法，將硬件電路與軟件算法有機結(jié)合，保證了對超聲波傳播時間的精密測量。同時，基于FPGA的硬件電路使得數(shù)據(jù)能被快速處理，使溫度測量具有很好的實時性。

經(jīng)實驗驗證，超聲波溫度測量儀可以實現(xiàn)測量分辨率優(yōu)于0.001℃的高精度溫度測量。

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

［2］ Joshua Daw，Joy Rempe，Steven Taylor，et al.Ultrasonic Thermometry for In-Pile Temperature Detection［J］.7th International Topical Meeting on Nuclear Plant Instrumentation，Control，and Human-Machine Interface Technologies 2010，NPIC and HMIT 2010，2:764-774，2010.

［3］ Ihara I，Yamada H，Kosugi A，et al.New Ultrasonic Thermometry and Its Applications to Temperature Profiling of Heated Materials ［J］.Proceedings of the International Conference on Sensing Technology，ICST，2011:60-65.

［4］ 安連鎖，沈國清，張波，等.電站鍋爐中聲學(xué)測溫的試驗研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2007（2）:23-25.

［5］ 趙志洲.超聲及超聲檢測［J］.煤礦機械，2004（7）:138-139.

［6］ 張金，王伯雄，崔園園，等.18聲道超聲流量傳感器模型及測量誤差［J］.清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011（8）:1089-1092.

［7］ 賴國強，石為人，熊慶宇，等.基于回波包絡(luò)上升沿擬合的超聲波飛行時間測量方法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2014，27（7）:923-927.

［8］ 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(xué)報，2012（5）:1028-1034.

［9］ 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(xué)學(xué)報，2011（6）:717-721.

［10］張福才，孫鵬，王智超.石英溫度傳感器遙測溫度計的設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2013，26（9）:1314-1316.

［11］孫小平，田豐，劉立云，等.基于聲波傳感器的爐內(nèi)溫度測量方法研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005（2）:26-28.

［12］Iooss B，Lhuillier C，Jeanneau H.Numerical Simulation of Transit-Time Ultrasonic Flowmeters:Uncertainties due to Flow Profile and Fluid Turbulence［J］.Ultrasonics，2002，40（09）:1009-1015.

［13］張興紅，向鳳云，張?zhí)旌?，?超聲波傳輸時間精密測量方法及應(yīng)用研究［J］.中國機械工程，2012（6）:651-654.

張興紅（1970-），男，重慶理工大學(xué)機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心教授，研究方向為計算機輔助測試技術(shù)，zxh@cqut.edu.cn；

陳鑫（1990-），女，重慶理工大學(xué)機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心碩士研究生，主要研究方向測試計量技術(shù)與儀器，ava1307@163.com。

The Study of A High-Precision Split Ultrasonic Temperature Measuring Instrument*

ZHANG Xinghong*，CHEN Xin，JIANG Hongqing，HE Tao
（Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment；Chongqing Key Laboratory of Time-grating Sensing and Advanced Testing Technology，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

Traditional temperature measurement instruments cannot assure the stability of high precision in wide measurement range，a high-precision split ultrasonic temperature measuring instrument is designed aiming to solve the defects.The ultrasonic temperature measurement technology is introduced.The material stored in vessel is used as the medium of ultrasonic propagation.The medium's temperature is measured indirectly by measuring the propagation time of ultrasonic wave when the propagation distance is certain.The structure of split and multichannel type is helpful to make the measuring result more accurate and reliable.The special structure can lower requirements of material resistance to high temperature and corrosion.The fast data processing circuit based on the FPGA and subdivision interpolation algorithm can ensure the measurement resolution of propagation time achieve nanosecond level.The ultrasonic thermometer can realize high precision temperature measurement with the resolution better than 0.001℃.

precision measurement；ultrasonic temperature measurement；split type；subdivision interpolation

TP216

A

1004-1699（2015）09-1389-06

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目（51275551）；重慶市自然科學(xué)基金項目（cstc2012jjA70004，cstc2012jjA40062）；重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目（YCX2014222）

2015-04-27修改日期:2015-06-22