精密超声波温度测量仪设计

２０１１焦第６期仪表技术与传感器ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ２０１１Ｎｏ．６

精密超声波温度测量仪设计

张兴红，蔡伟，向凤云，孙世政

（重庆理工大学，机械检测技术与装备教育部工程研究中心，重庆４０００５４）

摘要：利用超声波在介质中传播速度随温度变化而变化的特点，设计了一种新型精密温度测量仪，该测量仪兼有低成本与高精度的特点。采用特殊的软件细分算法对采集数据进行处理，给出了实现该设计所需要的硬件电路图和软件算法

流程图，并对测量仪的分辨率进行了分析。分析结果显示设计实现了超声波ｎｓ级微小时间的测量，使超声波测温技术在

实际运用中的关键问题得以解决，从而使测量结果的分辨率优于０．００１℃．关键词：超声波温度计；软件细分；精密测量；信号采集；ＦＰＧＡ

中图分类号：ＴＮ文献标识码：Ａ文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０６—００３２—０４

ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｒｅｃｉｓｅＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ

ＺＨＡＮＧＸｉｎｇ－ｈｏｎｇ，ＣＡＩＷｅｉ，ＸＩＡＮＧＦｅｎｇ－ｙｕｎ，ＳＵＮＳｈｉ－ｚｈｅｎｇ（Ｅｎ＃ｎ神ｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，

ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｈａｔｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｐｅｅｄｖａｒｉｅｓｗｉｔｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｍｅｄｉｕｍ．ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｋｉｎｄｏｆｎｅｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｐｐａｒａｔｕｓ．ＴｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒｐｏｓｓｅｓｓｅｄｂｏｔｈｌｏｗＣＯＳｔａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．ＩｔｕｓｅｄｔｈｅｓｐｅｃｉＭｓｏｆｔｗａｒｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏＵｅｃｔｉｎｇｄａｔａ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｈａｌ＇ｄｗＫｒｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｆｌｏｗｃｈａｒｔ鹪ｗｅｌｌｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｃｃｕｒａｃｙｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ＴｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎＣａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ

ｍｅａｓｕｒｉｎｇｏｆｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｒａｎｇｅｆｏｒｓｒｌｌａ］］ｃｈａｎｇｅｓｏｆｔｉｍｅ，ｉｔｓｏｌｖｅｄｔｈｅｋｅｙｑｕｅｓｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒｕｓｉｎｇｉｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｉｔｍａｋｅ８ｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ０．００１℃．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ；ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｄａｔａｃａｐｔｕｒｅ；ＦＰＧＡ

Ｏ引言超声波在气体介质中传播时，声波的传播速度仅取决于气

体的温度。当某一频率的声波通过气体时，声波频率将随气体的温度变化而变化…。在超声波测距系统中，波速的变化被当

作误差，并且必须得到纠正，但当运用测温时，则正是利用波速

的变化来测量温度的心Ｊ。超声波温度测量要到达较好的准确度和分辨率，该时间信号的测量误差必须达到ａｓ级。这是超

声波测温技术在实际运用中要解决的关键问题ｐＪ。国内已有

相关装置和专利能使测量分辨率达到ｎｓ级，甚至突破ｐｓ级分辨率Ｈ“Ｊ。文中利用特殊的软件细分插补算法可实现雌级的

微小时间信号测量，同时根据温度与超声波传播时间的关系实时计算出介质温度。１测量原理

１．１超声波传播特性

超声波在近似理想的气体中的传播可以认为是绝热过程，其传播速度口为ｏ

”＝再＝再

又由速度与传播时间的关系，口＝ｄ／ｔ，可得：系数；肘为分子质量；ｄ为超声波传播距离；Ｔ为超声波传播时

间护为气体分子密度；ｐ为气体压强；Ｑ为绝对温度。１．２仪表工作原理

超声波温度测量仪是采用ＦＰＧＡ芯片对温度传感器的信号进行采集控制，先产生周期正弦信号激励换能器产生超声

波，然后控制Ａ／Ｄ转换器将超声波回波信号进行采集并将采集数据写入ＦＰＧＡ片上存储器，采集完毕后将采集数据送入嵌入

式ＡＲＭ处理器，让处理器对采集到的数据进行分析处理并实时显示到ＬＣＤ上。测量仪结构框图如图ｌ所示。

圈１测量仪结构框图（１）２硬件电路实现

Ｑ＝菥Ｍｄ２（２）

式中：Ｒ为气体常数；ｒ＝Ｃｐ／Ｃ，为定压比热和定容比热之比例

收稿日期：２０１０—１０—１２收修改稿日期：２０１１—０３—２３如图１所示，超声波温度测量仪主要由３个部分组成：由管体、超声波换能器及其驱动电路组成的测量传感器部分，ＦＰ－

ＧＡ控制信号激励与信号采集部分，ＡＲＭ嵌入式处理器进行信号分析与处理部分。２．Ｉ测量传感器

测量传感器中的超声波换能器是压电式传感器，可以把具万方数据第６期张兴红等：精密超声波温度测量仪设计３３

有一定能量的模拟电压信号转换为机械振动，从而发出超声波

信号。压电式传感器也可以将由超声波产生的机械振动转换为模拟电压信号，转换后的电压信号经放大和滤波后可以得到所需要的超声波信号。图１中换能器Ｅ１和Ｅ２就是分别负责

发送超声波和接收超声波的换能器。

换能器Ｅｌ的激励信号是先由ＦＰＧＡ控制产生数字正弦信号，再经Ｄ／Ａ转换电路转换成模拟正弦信号后经功率放大电路

放大而得到，该信号是模拟正弦波信号，频率为１ＭＨｚ，电压约

１０Ｖ，电流约１．５Ａ，具有约１５ｗ的电能，足以驱动超声波换能

器Ｅｌ将电能转换为机械能，发出超声波信号。换能器Ｅ２负责把机械振动转换为电信号，当超声波信号作用到超声波换能器曰１８Ｅ２上时，它将会把该信号产生的机械振动转换为电信号，该信

号即是超声波回波信号。回波信号比发送信号更加微弱且包含有一定的干扰信号，因此需要对该信号进行放大滤波处理，才能获得所需要的信号。

２．２信号采集电路

超声波温度测量仪的信号采集主要由ＦＰＧＡ控制完成，在这里ＦＰＧＡ电路主要功能有２个：一是控制产生数字正弦波激

励信号，该信号为数字信号需要Ｄ／Ａ转换器转换化成模拟信号；－－是控制完成超声波回波信号的采集，并把数据暂存于构

造在ＦＰＧＡ内部的片上存储区内。其电路图如图２所示。

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图２ＦＰＧＡ控制激励与采集电路２．２．１信号的数模转换和模数转换

如图２所示，图中Ｄ／Ａ转换器芯片是高速高精度Ｄ／Ａ转换芯片ＡＤ９７６０，该芯片转换时钟频率可达到１２５ＭＨｚ，拥有１０

位分辨率，因测量仪所需的超声波信号为１ＭＨｚ的周期正弦波信号，为使测量精准，需要在这ｌＭＨｚ的频率下转换１００个数

字信号，以使正弦波信号的精度足够高。实际使用的Ｄ／Ａ转换时钟频率为１００ＭＨｚ，该时钟频率由ＦＰＧＡ芯片倍频得到。

Ａ／Ｄ转换芯片采用的是一款双通道１２位的低功耗单片ＣＭＯＳ模拟数字转换器ＡＤＣｌ２ＤＩ＿Ｉ）４０芯片。超声波回波信号在接收到之后经放大滤波，然后由该芯片将其波形进行采样并转

换成数字信号，以便于信号的分析处理。如图２所示，该芯片采用差分输入方式提高信号的准确性，同时该芯片具有高达１２

位的分辨率在ＦＰＧＡ的控制下能够精确采集信号波形数据。

２．２．２ＦＰＧＡ控制激励与采集

测量仪的控制部分主要由ＦＰＧＡ完成，由硬件描述语言实现。图３是硬件描述语言编译综合后的ＲＴＬ级原理图，从图中

可见该部分包含４个功能模块：能将时钟频率转换为所需频率

并具有锁相作用的的数字锁相环ａｈｐｌｌ模块，在时钟驱动下控组

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次数据采集完毕之后向ＡＲＭ处理器发ｍ中断ｆｊ号…ｒＡＲＭ并结音ＡＲＭ的Ⅱ馈信号ｄｃ将钙存ｆＲ：ｔＭ的数据输出到≮片

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３数据分析与处理

ＦＰＧＡ每采集完一出数据将向ＡＲＭ灶月器发送一十巾断信日该中断信峙辑驱动ＡＲＭ运行数据分析々处理Ｗ序挫

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４测■分辨辜分析

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