高精度分体式超声波温度测量仪研究*

张兴红，陈　鑫，蒋洪庆，何　涛

（重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心；时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆400054）

高精度分体式超声波温度测量仪研究*

张兴红*，陈鑫，蒋洪庆，何涛

（重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心；时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆400054）

传统的温度测量仪在较宽的测量范围内无法保证稳定的高精度测量，针对此种不足，设计了一种高精度分体式多声道超声波温度测量仪。该温度测量仪利用超声波测温技术，以被测物体作为传播媒介，在传播距离确定的条件下，通过测得超声波在介质中的传播时间间接测得介质的温度。分体式多声道的结构设计使温度测量准确有效，同时降低了传感器材质在耐高温、耐腐蚀方面的限制要求。基于FPGA的快速处理电路以及细分插补算法，使传播时间的测量分辨率优于纳秒级，确保实现分辨率优于0.001℃的高精度温度测量。

精密测量；超声波测温；分体式；细分插补

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

温度是国际单位制中七个基本的物理量之一，是表征物体热物性的重要参数，对温度进行精密测量具有非常重要的现实意义。随着科学技术水平的不断提高，温度测量技术也得到了不断的发展［1］。

超声波测温技术是根据超声波通过介质传播时的波速与介质温度有关这一原理来实现温度测量的［2］。超声波测温具有非接触式测量和快速时间响应等特点，已经成为一种非常有前景的测温方法［3］。与传统测温技术相比，超声波测温具有多方面的优势，可望应用于电站锅炉的温度场实时监测、火箭排气、汽缸燃烧气体、熔融液、核反应堆石墨芯等处的测温［4-5］。

现有的整体式超声波温度测量仪，其单对测头的传感器结构设计无法消除多次测量带来的随机误差，为提高超声温度测量精度，在超声温度传感器中采用多声道测量方式［6］，从结构上着手，降低随机误差对测量精度造成的影响。本文通过采用分体式多声道结构，提供一种高精度超声波温度测量仪研究方法。将多对测头均匀布置在装有被测介质的容器外侧的各个方位，让超声波在多声道传播，从而实现被测介质温度的精确测量。

1　分体式测头的安装设计

测头的核心部分是压电超声换能器，它可以把具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，也可以将由超声波产生的机械振动转换为模拟电压信号［7］。如图1所示为分体式测头的安装示意图。图中四对超声波换能器（E11与E21、E12与E22、E13与E23、E14与E24）分别被相对安装在装有被测介质的圆柱型容器外壁上，构成超声波的多声道传播，其中换能器的安装位置要低于被测介质的高度，以便于超声波穿过被测介质。四个换能器E11、E12、E13、E14构成发射换能器组E1，发射换能器组E1用于发射超声波信号；而换能器E21、E22、E23、E24构成接收换能器组E2，接收换能器组E2用于接收超声波信号。

图1　分体式测头的安装示意图

这种分体式结构设计可以有效的避免测头与被测介质之间的接触，在温度测量时，能够降低对传感器材质的耐高温性能和耐腐蚀性等要求。同时采用的是多声道测量，通过对超声波在多个声道间的传播得到温度值进行算术平均而得出最终温度值。这种结构设计降低了测量过程中随机误差造成的影响，使得到的测量结果更加真实可靠。

2　超声波驱动电路及驱动信号

超声波驱动电路框图如图2所示。其主要功能是产生超声波驱动信号并激励发射换能器组发射超声波。

图2　超声波驱动电路框图

在CPU控制下，构建于FPGA内的发生器发出一组数字正弦波信号，该信号经过数模转换电路（D/ A）、放大滤波电路的处理后转换成一组模拟正弦波，也就是超声波驱动信号。超声波就是在该驱动信号的作用下由发射换能器组E1产生的。超声波在传播过程中，频率越高则方向性越好，能量越集中，且超声波频率越高，测量精度越好，但是频率越高超声波衰减也越大，会导致超声波的传播距离变短，同时还会增加电路设计的难度。综合考虑将超声波驱动信号设置为频率为1 MHz的正弦波。

超声波的发射方式采用脉冲群触发，因此在设计超声波驱动电路时还要考虑发射的驱动信号中波形的个数，即脉冲群中脉冲的个数。在保证基本精度需求前提下可以通过降低采样率来减少计算复杂度，提高实时性［8］。因而将驱动信号中波形个数设定为8个。如图3所示为超声波驱动信号波形图。

图3　超声波驱动信号的波形图

3　回波信号处理电路及超声波回波信号

超声波回波信号处理电路框图如图4所示，其主要功能是对换能器接收到的信号进行处理，并根据传播时间与温度的关系算出温度值。

图4　超声波回波信号处理电路框图

当超声波经过大型容器中的介质传播到另一端的接收换能器组E2时就会被转换成电信号，该信号称为超声波回波信号。如图5所示为超声波回波信号的波形图。由图可知:超声波回波信号的幅值先增大后逐渐减小到零，成变幅值的周期性变化。超声波回波信号与驱动信号相对应，随着驱动信号中正弦波的连续发射，回波信号的幅值逐渐增大，驱动信号的第8个正弦波刚好对应回波信号幅值最大的波，当驱动信号发射完后回波信号幅值逐渐减小到零。在超声波回波信号中将幅值最大的那个波形称为特征波，将特征波上的过零点称为特征点。

图5　超声波回波信号波形图

在测温过程中，超声波的传播时间很短，要达到精确测量的目的就要保证回波信号处理电路中A/D采样和数据采集的速度要快、精度要高同时还有足够的存储空间。因此，在超声波回波信号处理电路中，高分辨率的A/D转换电路和快速的FPGA是温度精确测量的硬件保障。在本设计研究中选用的A/D转换芯片是NS公司的ADC12DL040芯片。该芯片具有12位的分辨率和40 MHz的转换频率满足对超声波回波信号进行高速高精度的模/数转换。在ADC12DL040芯片完成A/D转换后要保证有足够的存储空间来实现数据的快速存储，而在FPGA内部能构造稳定可靠的内存，不需要大量的控制信号、数据线、地址线，节省芯片的I/O引脚，能够满足数据的高速存储［9］。

4　超声波传播时间的精密测量

超声波测温技术是根据超声波在介质中的传播速度来间接得到介质的温度［10］。当传播距离一定时，通过测超声波的传播时间就可以间接测出介质温度。由此可知:影响温度测量精度的主要因素是超声波传播时间测量的准确性，准确测量超声波传播时间是准确测量温度的前提［11］，当超声波传播时间的测量精度越高，则温度测量的精度越好。因此在超声波信号检测中，必须采用高精度的传播时间测量方法和信号的有效性检测方法。

在超声波测温技术中，超声波的传播时间就是发射换能器发射的超声波信号上的任意一点与接收换能器接收到的回波信号上相应的那一点之间的时间间隔［12］。超声波传播时间测量的关键在于超声波传播的起点和终点的精确确定。超声波信号是换能器受到驱动信号的激励下发射的，而超声波驱动信号是在CPU的控制下由构建于FPGA中的信号发生器产生的，因此超声波传播的起点时刻可以CPU精确确定。因此超声波传输时间精密测量的关键是确定传播时间的终点，其精度依赖于对终点的精确确定［13］。

图6　超声波波形与传播时间对应关系曲线

将超声波传输时间的起点设为发射换能器所发射的超声波信号中最后那个波的过零点，则超声波传播时间的终点为接收换能器接收到的超声波信号上幅值最大波形的过零点（特征点）。如图6所示为超声波波形与传播时间对应关系的示意图。

设计中通过将高速高分辨率的信号采样电路和直线插补算法相结合，精确计算超声波传播时间的终点时刻，实现超声波传输时间的精密测量，从而保证对温度高精度的测量。其具体算法如下:

设A/D采样电路的的采样频率为fA/D，A/D转换芯片的分辨率是RA/D位，超声波的频率为fu，采样点P的采样值为V1，所处时刻为t1；采样点P1的采样值为V2，采样点P与过零点P0之间的时间为t2，在过零点附近较小的区域内，将正弦波曲线看成直线，根据直线插补的方法确定t2:

从第一个采样点到采样点P之间的采样点的个数为N，则特征波过零点所对应的时刻，即超声波传输时间终点所对应的时刻tend为:

又因为超声波传播时间的起点时刻tstart可以由CPU精确控制，则超声波的传播时间t为:

由式（3）可知超声波传播时间的分辨率R为:

由上述分析可以知道:超声波传播时间的测量分辨率与A/D转换芯片的分辨率的位数以及超声波的频率有关。超声波频率越高，A/D转换芯片的分辨率的位数越高，则超声波传播时间的分辨率越高。

又超声波驱动信号的频率为1 MHz，A/D转换芯片ADC12DL040的分辨率是12位，则超声波传输时间的分辨率R为:

安装在圆柱型容器上多对换能器之间的距离均是固定的，测得在不同温度下超声波在两个相互对应的换能器之间的传播时间，就可以计算出四个与之相对应温度值，对这四个温度值求算术平均得到的结果就是最终的温度值。当传播距离为1 m时，超声波在20℃和21℃的水中的传播速度与传播时间如表1所示。

表1　超声波在不同温度的水中的传播速度与传播时间

由表1可知在21℃时和20℃时超声波的传输时间差为1.363 2×10-6s。欲使温度测量仪要求达到温度测量的分辨率优于0.001℃的要求，则对超声波信号的时间测量的分辨率必须优于纳秒级。通过高分辨率的A/D采样电路以及细分插补算法使超声波传输时间的测量分辨率达到0.122 ns，可以实现分辨率优于0.001℃的温度测量。

5　超声波温度测量仪的系统组成

图7　超声波温度测量仪原理框图

根据以上方法，超声波温度测量仪的原理框图如图7所示。本温度测量仪主要超声波发射换能器组E1（包括换能器E11、E12、E13、E14）、超声波接收换能器组E2（包括换能器E21、E22、E23、E24）、中央处理单元CPU、现场可编程门列阵FPGA、A/D转换电路、放大电路、滤波电路、功率放大电路、D/A转换电路、通道切换电路、显示电路和键盘电路等构成。发射换能器组E1中的换能器与接收换能器组E2中的换能器两两相对安装在装有被测介质的容器外壁上。

首先，超声波驱动电路产生周期为1 MHz波形个数为8个的正弦波脉冲群信号。该驱动信号通道切换电路逐一轮流驱动发射换能器组E1中的换能器发射超声波。

其次，接收换能器组E2中与之对应的换能器将接收到超声波信号转换成电信号，即超声波回波信号，该信号经过回波信号处理电路处理后，将被采集的数据存储在构造于FPGA内的存储区内。

然后，CPU利用细分插补算法对存储在FPGA内的数据实时处理，算出超声波在一对相对安装的换能器之间的传播时间。再通过传播时间与温度的关系间接算出一个温度值。

通道切换电路进行通道切换，超声波驱动信号逐个轮流驱动换能器组E1中的换能器，使超声波在两两安装的换能器E11与E21、E12与E22、E13与E23、E14与E24之间完成发射和接收，从而可以得到四个温度值，最后CPU对这四个值求算术平均就能得出最终的温度值并在LCD上显示出来或通过RS485将数据传到其他外设终端。

6　超声波传播时间实验分析

经分析，超声波温度测量的关键在于传播时间的精密测量，如果传播时间的测量能达到ns级，那么影响超声波温度测量仪精密性的最关键问题将得以解决。图8所示为在恒温实验室内温度为25℃，传播距离为338 mm时，一个小时的时间内测出的3 856个传播时间数据中的150个连续数据对应的误差曲线，图中超声波传播时间的平均值225.403 1 us。由图可以看出，传播时间的数据比较稳定，误差值大多集中在±0.3 ns之内，只有个别传播时间误差大于1 ns，说明时间测量的重复性、稳定性相对比较好。虽然没能达到理论分辨率的0.122 ns，但误差仍然在ns级别，初步满足超声波温度测量仪对时间精密测量的要求。

从图8中可以看出有极少量传播时间的误差大于1 ns，出现这种情况的原因是测量的传播时间存在噪声干扰，如A/D转换中的噪声、超声波传播途中的噪声、换能器噪声等。为提高传播时间的测量精度，为温度的精密测量创造良好的条件，采用中值滤波法进行优化处理去除噪声。滤波后超声波传播时间误差曲线如图9所示，滤波后超声波传播时间的误差在±0.3 ns之内，验证了所设计的硬件电路和细分插补算法实现时间精密测量的可行性，这为后期温度的高精度测量奠定了良好的研究基础。

完成超声波传播时间的优化处理后，对超声波传播时间与介质温度之间的关系进行验证。图10所示为超声波传播距离为338 mm时以水作为超声波传播介质，当介质温度由13.1℃上升到13.3℃时，超声波传播时间由226 368.4 ns下降到226 217.3 ns，在此温度变化区间内超声波传播时间与介质温度成反比，即传播时间随温度的增加而逐渐变小。

图8　超声波传播时间误差曲线

图9　滤波后超声波传播时间误差曲线

图10　温度（13.1℃～13.3℃）对应的传播时间变化曲线

7　结论

针对现有的整体式超声波温度测量仪所存在的局限性，提出了一种测量分辨率优于0.001℃的分体式多声道超声波温度测量仪的设计思路，有如下特点:

①将被测对象作为超声波传播的介质，当超声波传播距离确定时，通过精密测量测得超声波的传播时间就可精密测得被测对象的温度值。

②将测头安装在被测介质容器的外侧，有效避免了测头与被测介质接触，降低了对测头材质的要求。

③采用多声道测量，将多对测头均匀布置在被测对象的各个方位，由此获取多个位置的温度值，取其算术平均值，削弱了随机误差造成的影响，使得结果更接近真实值。

④采用高分辨率的A/D转换电路和直线插补算法，将硬件电路与软件算法有机结合，保证了对超声波传播时间的精密测量。同时，基于FPGA的硬件电路使得数据能被快速处理，使温度测量具有很好的实时性。

经实验验证，超声波温度测量仪可以实现测量分辨率优于0.001℃的高精度温度测量。

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张兴红（1970-），男，重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心教授，研究方向为计算机辅助测试技术，zxh@cqut.edu.cn；

陈鑫（1990-），女，重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心硕士研究生，主要研究方向测试计量技术与仪器，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

项目来源:国家自然科学基金项目（51275551）；重庆市自然科学基金项目（cstc2012jjA70004，cstc2012jjA40062）；重庆理工大学研究生创新基金项目（YCX2014222）

2015-04-27修改日期:2015-06-22