宋燦　劉石　任思源

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室北京102206）

基于超聲波飛行時間的溫度測量系統(tǒng)實驗研究?

宋燦?劉石任思源

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室北京102206）

超聲波測量技術(shù)具有速度快、成本低、測量范圍廣等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域。為滿足工業(yè)中對溫度測量的需求，本文提出了超聲波溫度測量系統(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，實現(xiàn)在恒溫箱空氣介質(zhì)中固定距離下的超聲波飛行時間的測量，以此確定介質(zhì)的平均溫度。測量數(shù)據(jù)由單片機傳輸?shù)缴衔粰C進行處理和顯示，并與恒溫箱熱電偶測得的溫度對照，驗證實驗結(jié)果。實驗結(jié)果證明本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量溫度，溫度范圍約在35°C—90°C。

超聲波，測溫，換能器，飛行時間

1　引言

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

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

超聲波測溫作為一種非接觸式測溫方法，與傳統(tǒng)測溫方式相比，能夠?qū)Υ罂臻g被測源進行實時連續(xù)測量且測溫范圍廣，反應(yīng)速度較快，精度較高、維護方便，不會破壞介質(zhì)的溫度場，特別適合高溫和惡劣的測溫環(huán)境。主要應(yīng)用于倉儲糧食、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量與溫度場圖像重建等方面［2］。

2　超聲波測溫原理及飛行時間測量

2.1超聲波測量原理

目前超聲波溫度測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)采用波速法進行測量：通過測定超聲波從發(fā)射端到接收端的飛行時間（TOF），并根據(jù)確定的測溫距離，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，對某種特定氣體Z為一常數(shù)，空氣中Z取值為20.05。

又由運動學(xué)關(guān)系式c=d/tTOF，可得聲學(xué)測溫的基本計算公式（2），

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

由超聲測距知道，距離的測量可以由飛行時間得到，在固定距離的條件下，由公式（2）發(fā)現(xiàn)溫度的測量也可以由飛行時間得到。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°時對應(yīng)的聲速實際值約為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)超聲波溫度測量提供了理論依據(jù)。

總之，基于TOF的超聲波溫度測量的原理就是通過測量超聲波在介質(zhì)中的飛行時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間間接測量介質(zhì)溫度。因此，選取合適的方法更好地測量超聲波的飛行時間成為超聲波溫度測量系統(tǒng)的重點［3-4］。

2.2超聲波飛行時間測量

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

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

超聲測量一大優(yōu)勢就是成本低，因此，在不提高成本的前提下，為了獲取更精確的測量值，可以在連續(xù)發(fā)射信號中加入相位和幅值調(diào)制信號來精確標(biāo)定發(fā)射與接收的時間節(jié)點，發(fā)射波形如圖2所示，其中，方波2相對于方波1進行了相位和幅度調(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，如果加入兩組脈沖突變，會造成超聲波接收端在對應(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間節(jié)點［7］。

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

將如圖2所示的發(fā)射波形進行試驗測試，即將發(fā)射波形在兩個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應(yīng)處突然減小的時間節(jié)點，就可以得到超聲波的飛行時間。

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

由于只需要兩個時間節(jié)點標(biāo)定測量飛行時間，經(jīng)過反復(fù)測量，本系統(tǒng)最終將發(fā)射波簡化，如圖2所示，簡化后的發(fā)射波形不僅可以同樣精確地標(biāo)定時間節(jié)點，而且簡化了單片機程序，使得測量速度進一步提升，對于將來的溫度場測量可以提高測量效率。根據(jù)圖3中的現(xiàn)象，采用簡化發(fā)射波進行如上測試，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，則獲得一個較寬的低電平，如圖4所示。

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

3　超聲波溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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

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

在圖5中，超聲波溫度測量系統(tǒng)是以單片機為核心，采用2個超聲換能器測量待測區(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、單片機與上位機交互電路等組成。

3.1.1信號處理電路設(shè)計及工作過程

單片機作為本系統(tǒng)硬件的核心部分，其主要任務(wù)是：輸出開關(guān)控制信號，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）且幅值不同的簡化發(fā)射波，并作為超聲波換能器的使能信號；通過單片機的計時器記錄超聲波傳輸?shù)臅r間起點和終點；與上位機通信，實現(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實現(xiàn)濾波整流。放大電路對接收波進行放大處理，放大后的超聲波接收信號可以清晰的區(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，同時將接收波轉(zhuǎn)換成方波信號，轉(zhuǎn)換后的方波信號存在一個明顯的較寬的低電平。此方波信號反饋給單片機，作為單片機的中斷信號，單片機接收反饋之后，控制計時器，得到超聲波的飛行時間TOF，繼續(xù)發(fā)射下一組波形。

3.1.2單片機與超聲換能器的選型

為了完整測量數(shù)據(jù)、減小誤差并提高測量精度，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)，對瞬時變化的TOF做出反應(yīng)，因此本系統(tǒng)選取STC12單片機，其運行速度是普通單片機的3—12倍。另外系統(tǒng)選擇22.1184 MHz的晶振，既可以減小程序運行時間，增大系統(tǒng)響應(yīng)頻率，提高精確度，同時又可使單片機與PC機之間最小誤差傳輸數(shù)據(jù)，傳輸波特率達到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（如20 kHz），換能器輸出能力較差，經(jīng)過試驗測量，最終選取型號為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，同時采用40 kHz作為發(fā)射信號頻率。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

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

首先進行中斷初始化和計時器初始化，產(chǎn)生方波1和方波2，形成發(fā)射波形，同時計時器1在發(fā)射波的測量脈沖前打開。計時器在單片機反饋信號電平為高電平時打開，低電平時關(guān)閉，即計時器用于測量脈寬，當(dāng)脈寬小于等于標(biāo)準(zhǔn)寬度時，繼續(xù)檢波，當(dāng)脈寬大于標(biāo)準(zhǔn)寬度時，就檢測到接收波的寬脈沖，此時關(guān)閉計時器1，計時器1的時間即為一個測量脈沖信號在發(fā)射端和接收端之間的傳播時間，如圖7［7］。

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

圖7　TOF測量示意圖Fig.7 TOF measurement schematic

4　超聲波溫度測量實驗研究及結(jié)果分析

4.1實驗環(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)速對飛行時間帶來的影響如表1所示。從表1發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速對飛行時間的影響隨著風(fēng)速的增大而加劇。根據(jù)國際計量局推薦公式［12］，空氣的溫度、濕度和壓強都與空氣密度相關(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)溫度測量系統(tǒng)中，環(huán)境濕度對超聲波傳播速度也有影響。

表1　環(huán)境風(fēng)速對飛行時間的影響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，也為了驗證本系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)選擇在恒溫箱內(nèi)進行測量實驗，實現(xiàn)對本系統(tǒng)的測量精度驗證與誤差分析。

4.2實驗步驟

在實驗中，首先利用熱電偶測量恒溫箱內(nèi)多個位置的點溫。因為恒溫箱體積較大，測量時恒溫箱內(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，因此采用熱電偶測量溫度作為測量時恒溫箱溫度的參考值。另外，實驗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個超聲波換能器，其中一個作為發(fā)射端，另一個作為接收端，兩換能器的距離為21.5 cm，進行超聲波溫度測量，以熱電偶測量的溫度為恒溫箱參考溫度，其溫度對應(yīng)的超聲波傳播時間即視為理想時間，利用理想時間對比實際測量的時間，分析系統(tǒng)測量精確度并確定系統(tǒng)誤差。由于目前電路設(shè)計和超聲換能器性能的限制，分別在熱電偶測得的溫度為308.15 K，313.15 K，318.15 K，···，363.15 K等溫度條件下，測量本系統(tǒng)超聲波從發(fā)射端到接收端的傳播時間，具體實驗框圖如圖8所示。

圖8　超聲波溫度測量系統(tǒng)實驗框圖Fig.8 Measurement equipments of the ultrasonic temperature measurement system

最后，以單片機為核心的下位機測量系統(tǒng)將測量時間傳輸?shù)絇C機進行分析處理，如分析并去除系統(tǒng)誤差、將測量時間結(jié)果轉(zhuǎn)化為測量溫度、測量溫度與熱電偶測量的溫度對照、顯示實驗結(jié)果等步驟，最終得到實驗結(jié)果。

4.3實驗結(jié)果及誤差分析

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

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

其中φ0為發(fā)射信號初始相位，L為測量區(qū)域距離，c為聲速，φc為信號經(jīng)過電路引起的電氣誤差。在本測溫實驗中，φc導(dǎo)致的時間誤差td=φc/（2πf），因此電路對信號的時延基本恒定。

（3）由于熱電偶測量溫度是熱電偶所處點的溫度，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，也會引起測量誤差。

結(jié)合以上誤差原因，通過上位機對測量結(jié)果進行修正。經(jīng)過誤差校正后的測量結(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)修正后的測量時間與理論時間及相對誤差；圖9（b）和圖9（d）表示系統(tǒng)修正后的測量溫度與熱電偶測量溫度及相對誤差。

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

圖9　系統(tǒng)修正后的測量結(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單片機作為系統(tǒng)硬件電路控制核心，同時為避免接收波前緣延時的問題，選取幅調(diào)和相調(diào)信號作為發(fā)射波，測量超聲波在恒溫箱空氣介質(zhì)中固定距離下的飛行時間，間接測量介質(zhì)的平均溫度。實驗結(jié)果證明本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量溫度，溫度范圍在35°C—90°C。在實驗測量空間、電路設(shè)計和超聲波換能器的作用溫度等限制條件下，本系統(tǒng)仍對溫度反應(yīng)較靈敏，精度較高，對以后的超聲波溫度場測量系統(tǒng)具有重要的實用價值，是一個具有進一步開發(fā)潛力的實驗系統(tǒng)。目前，此系統(tǒng)在微生物培養(yǎng)的非接觸式測溫和倉儲糧食溫度檢測等低溫測量領(lǐng)域具有重要的實用價值。

在本系統(tǒng)之后的超聲波溫度測量實驗中，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)用于飛行時間測量或采用其他的測量方法等途徑，不斷擴大測量溫度范圍，實現(xiàn)高溫測量和溫度場的測量，應(yīng)用于更多工業(yè)測量領(lǐng)域，如熱電站鍋爐火焰、發(fā)動機燃燒室的溫度場測量等領(lǐng)域，同時還要減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)可靠性。

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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。?

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