基于超声波飞行时间的温度测量系统实验研究∗

宋灿　刘石　任思源

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室北京102206）

基于超声波飞行时间的温度测量系统实验研究∗

宋灿†刘石任思源

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室北京102206）

超声波测量技术具有速度快、成本低、测量范围广等优点，广泛应用于多种工业领域。为满足工业中对温度测量的需求，本文提出了超声波温度测量系统。本系统基于超声波的传播速度与环境温度的关系，以STC12单片机作为系统硬件电路控制核心，采用幅度和相位调制的矩形波作为发射波，实现在恒温箱空气介质中固定距离下的超声波飞行时间的测量，以此确定介质的平均温度。测量数据由单片机传输到上位机进行处理和显示，并与恒温箱热电偶测得的温度对照，验证实验结果。实验结果证明本系统可以准确测量温度，温度范围约在35°C—90°C。

超声波，测温，换能器，飞行时间

1　引言

温度是描述物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学实验及工农业生产中具有十分重要的作用特别是高温测量在航天、材料、能源、冶金等领域中占有极重要地位［1］。

测量温度的方法大致分为两类，接触式和非接触式。接触式测温方法主要有热电偶、热电阻、热辐射温度计等方法。接触式方法简单可靠精度较高，但存在测温延迟、测温范围限制、干扰被测源等局限性。非接触式测温方法主要有声学法和光学法，相比于接触式测温方法，非接触式测温元件不与被测介质接触，因此不会破坏介质的温度场，测温范围广，反应速度一般较快。

超声波测温作为一种非接触式测温方法，与传统测温方式相比，能够对大空间被测源进行实时连续测量且测温范围广，反应速度较快，精度较高、维护方便，不会破坏介质的温度场，特别适合高温和恶劣的测温环境。主要应用于仓储粮食、微生物培养过程、火箭排气、汽缸燃烧气体、熔融液、核反应堆石墨芯、火电站锅炉内部火焰等处的温度测量与温度场图像重建等方面［2］。

2　超声波测温原理及飞行时间测量

2.1超声波测量原理

目前超声波温度测量的方法主要有波速法和相位差法等，本质上是利用超声波在气体介质中传播时由于气体温度变化引起超声波波速或频率的变化这一现象来求解温度。本系统采用波速法进行测量：通过测定超声波从发射端到接收端的飞行时间（TOF），并根据确定的测温距离，求得超声波传播路径上的平均速度，由公式（1）［3-5］即可得出介质的平均温度，

其中，R为理想气体普适常数，M为气体分子量，T为气体绝对温度，γ为特定气体在定压定容下的比热比，c为介质中的声速，对某种特定气体Z为一常数，空气中Z取值为20.05。

又由运动学关系式c=d/tTOF，可得声学测温的基本计算公式（2），

其中，d为两个超声波收、发换能器之间的距离，tTOF为超声波在两个换能器之间的飞行时间。

由超声测距知道，距离的测量可以由飞行时间得到，在固定距离的条件下，由公式（2）发现温度的测量也可以由飞行时间得到。因此，气体的平均温度T可根据公式（1）、公式（2）写成公式（3）：

另外，式（1）中绝对温度和声速为二次方关系，并且R和M都是常数，在标准状态下，0°时对应的声速实际值约为331.45 m/s，将式（1）中的热力学温度用摄氏温度代替可得式（4）［6］，式（3）和式（4）为本系统超声波温度测量提供了理论依据。

总之，基于TOF的超声波温度测量的原理就是通过测量超声波在介质中的飞行时间得到超声波的速度，再由速度得到介质温度，即由超声波的飞行时间间接测量介质温度。因此，选取合适的方法更好地测量超声波的飞行时间成为超声波温度测量系统的重点［3-4］。

2.2超声波飞行时间测量

本系统采用飞行时间法进行超声波温度测量。在超声波测量系统中，由于气体对超声波的吸收特性，存在接收波前缘延时的问题，同时前缘延时还与超声波传输距离有关，距离越长，前缘延时就越长，如图1所示［7］，造成飞行时间不易标定。在本实验系统中，怎样尽可能精确标定超声波传播的起始和终点位置是一个不容忽视的问题。

图1　超声波在气态环境中传播特性Fig.1 Ultrasonic propagation characteristics in gas

超声测量一大优势就是成本低，因此，在不提高成本的前提下，为了获取更精确的测量值，可以在连续发射信号中加入相位和幅值调制信号来精确标定发射与接收的时间节点，发射波形如图2所示，其中，方波2相对于方波1进行了相位和幅度调制，将方波1和方波2合成即为发射波形。当选取连续方波作为发射波时，如果加入两组脉冲突变，会造成超声波接收端在对应处突然减小的现象，这一现象可以用来确定接收波的时间节点［7］。

图2　发射波形与简化发射波形Fig.2Transmitting wave and simplified transmitting wave

将如图2所示的发射波形进行试验测试，即将发射波形在两个超声换能器之间传播，由于发射波第二部分频率减小且幅值增高，由示波器可以看到，确实造成了接收端波形在相应位置突然减小，如图3所示，其中CH1为发射波波形，CH4为接收波波形，CH2为接收端波形经过前端放大后的波形。因此，只要确定发射波脉冲突变和接收波对应处突然减小的时间节点，就可以得到超声波的飞行时间。

图3　超声波温度测量系统发射与接收波形Fig.3 The transmitting and receiving wave in the ultrasonic temperature measurement system

由于只需要两个时间节点标定测量飞行时间，经过反复测量，本系统最终将发射波简化，如图2所示，简化后的发射波形不仅可以同样精确地标定时间节点，而且简化了单片机程序，使得测量速度进一步提升，对于将来的温度场测量可以提高测量效率。根据图3中的现象，采用简化发射波进行如上测试，再经过施密特触发器，转换成方波波形，确定触发器的阀值，则获得一个较宽的低电平，如图4所示。

图4　超声波温度测量系统TOF确定方法图Fig.4 TOF method in the ultrasonic temperature measurement system

3　超声波温度测量系统设计

3.1系统硬件电路设计

硬件电路设计在超声波温度测量系统设计中占有非常重要的位置，本测量系统以单片机为核心，硬件电路图如图5所示。

图5　超声温度测量系统硬件图Fig.5 The hardware block diagram of ultrasonic temperature measurement system

在图5中，超声波温度测量系统是以单片机为核心，采用2个超声换能器测量待测区域温度，外围电路包括放大电路，开关选择电路，触发电路，反馈电路、单片机与上位机交互电路等组成。

3.1.1信号处理电路设计及工作过程

单片机作为本系统硬件的核心部分，其主要任务是：输出开关控制信号，用于选择开关芯片CD4051不同的输入通道作为输出结果；输出如图2中脉宽不同（40 kHz和20 kHz）且幅值不同的简化发射波，并作为超声波换能器的使能信号；通过单片机的计时器记录超声波传输的时间起点和终点；与上位机通信，实现数据的处理与显示。

本系统采用前端放大电路结合施密特触发器74LS14实现滤波整流。放大电路对接收波进行放大处理，放大后的超声波接收信号可以清晰的区分噪声与接收波，如图3。通过划定施密特触发器的阀值电压，消除噪声，同时将接收波转换成方波信号，转换后的方波信号存在一个明显的较宽的低电平。此方波信号反馈给单片机，作为单片机的中断信号，单片机接收反馈之后，控制计时器，得到超声波的飞行时间TOF，继续发射下一组波形。

3.1.2单片机与超声换能器的选型

为了完整测量数据、减小误差并提高测量精度，快速的闭环响应是最为重要的，这要求控制系统电路能够完成快速的响应，对瞬时变化的TOF做出反应，因此本系统选取STC12单片机，其运行速度是普通单片机的3—12倍。另外系统选择22.1184 MHz的晶振，既可以减小程序运行时间，增大系统响应频率，提高精确度，同时又可使单片机与PC机之间最小误差传输数据，传输波特率达到9600 bit/s。

由于超声波在空气中的衰减系数α与超声波频率的关系如公式（5）：

式（5）中a为介质常数，f为振动频率［8］。由公式（5）可看出，超声波频率越大，在空气中衰减的越快，因此频率过高的超声波很难在空气中传播；另外参考超声波换能器本身的硬件性能，超声波频率过低时（如20 kHz），换能器输出能力较差，经过试验测量，最终选取型号为400PT160的压电陶瓷超声波换能器作为超声波发射与接收装置，同时采用40 kHz作为发射信号频率。

3.2系统软件设计

软件设计主要负责完成本系统测量数据的获取、误差分析与处理，其核心部分是下位机的TOF测量，图6为系统TOF测量程序流程图。

图6　超声温度测量系统TOF测量程序流程图Fig.6 The software flow chart of ultrasonic temperature measurement system for measuring TOF

首先进行中断初始化和计时器初始化，产生方波1和方波2，形成发射波形，同时计时器1在发射波的测量脉冲前打开。计时器在单片机反馈信号电平为高电平时打开，低电平时关闭，即计时器用于测量脉宽，当脉宽小于等于标准宽度时，继续检波，当脉宽大于标准宽度时，就检测到接收波的宽脉冲，此时关闭计时器1，计时器1的时间即为一个测量脉冲信号在发射端和接收端之间的传播时间，如图7［7］。

计算完一组超声波的TOF之后，单片机继续发射下一组波形，每10组计算一次TOF平均值，将结果传输给上位机。

图7　TOF测量示意图Fig.7 TOF measurement schematic

4　超声波温度测量实验研究及结果分析

4.1实验环境——恒温箱

由于声速与声源的性质无关，只与媒质的弹性、密度及温度有关［9］，因此超声波的传播速度受很多因素的影响。在20°C温度、两超声波换能器相距0.2 m的条件下，理想声速约为343.370 m/s［6，10-11］，仅风速对飞行时间带来的影响如表1所示。从表1发现，风速对飞行时间的影响随着风速的增大而加剧。根据国际计量局推荐公式［12］，空气的温度、湿度和压强都与空气密度相关，空气密度与气体普适常数也相关［13］，并且由公式（1）发现，气体普适常数变化直接影响声速变化。因此，在超声气体介质温度测量系统中，环境湿度对超声波传播速度也有影响。

表1　环境风速对飞行时间的影响Table 1 The influence of environmental wind speed on TOF

为了尽量减少风速、湿度等其他因素的影响，也为了验证本系统测量的准确性，本系统选择在恒温箱内进行测量实验，实现对本系统的测量精度验证与误差分析。

4.2实验步骤

在实验中，首先利用热电偶测量恒温箱内多个位置的点温。因为恒温箱体积较大，测量时恒温箱内的温度并不一定保持恒定。结果发现温度相对偏差在0.5%以内，因此，可近似认为恒温箱内温度基本恒定，因此采用热电偶测量温度作为测量时恒温箱温度的参考值。另外，实验中热电偶与超声换能器的放置位置尽量处于同一平面。

然后在恒温箱中放置2个超声波换能器，其中一个作为发射端，另一个作为接收端，两换能器的距离为21.5 cm，进行超声波温度测量，以热电偶测量的温度为恒温箱参考温度，其温度对应的超声波传播时间即视为理想时间，利用理想时间对比实际测量的时间，分析系统测量精确度并确定系统误差。由于目前电路设计和超声换能器性能的限制，分别在热电偶测得的温度为308.15 K，313.15 K，318.15 K，···，363.15 K等温度条件下，测量本系统超声波从发射端到接收端的传播时间，具体实验框图如图8所示。

图8　超声波温度测量系统实验框图Fig.8 Measurement equipments of the ultrasonic temperature measurement system

最后，以单片机为核心的下位机测量系统将测量时间传输到PC机进行分析处理，如分析并去除系统误差、将测量时间结果转化为测量温度、测量温度与热电偶测量的温度对照、显示实验结果等步骤，最终得到实验结果。

4.3实验结果及误差分析

由下位机系统的测量时间值发现其与理想时间值密切相关，两者始终保持一个几乎固定的偏差，可视为系统误差，通过上位机处理得到两者关系式为Y=1.004X+0.1803，其中理论时间值为X（ms），系统实际测量时间测量值为Y，相关系数R的平方值为0.9973。综合本系统设计和下位机实验结果，误差产生的原因主要有以下几个方面：

（1）发射波在AD放大、划定触发器阀值等步骤之后，可能导致TOF终点标定存在误差，此误差可能为系统误差的主要原因。由于电路和TOF测量算法都较稳定，TOF标定造成的误差基本恒定。

（2）另外，电路对信号的时延也是造成系统误差的一部分，其中主要是换能器的迟延时间。假设超声波传输时间为tTOF，换能器时延为td，则所测量的超声波飞行时间t=tTOF+td［14］。设发射信号ur（t）和接收信号uR（t）如公式（6）、式（7）［15］所示，

其中φ0为发射信号初始相位，L为测量区域距离，c为声速，φc为信号经过电路引起的电气误差。在本测温实验中，φc导致的时间误差td=φc/（2πf），因此电路对信号的时延基本恒定。

（3）由于热电偶测量温度是热电偶所处点的温度，不能反映恒温箱的平均温度，仅具有参考意义。

（4）恒温箱中空气湿度等因素并不一定恒定，也会引起测量误差。

结合以上误差原因，通过上位机对测量结果进行修正。经过误差校正后的测量结果与理论值比较结果，如图9所示，图9（a）和图9（c）表示系统修正后的测量时间与理论时间及相对误差；图9（b）和图9（d）表示系统修正后的测量温度与热电偶测量温度及相对误差。

本系统在恒温箱测量环境中、35°C—90°C的温度范围内、两换能器距离21.5 cm的条件下进行平均温度测量，在上位机完成系统修正后，发现在修正后的测量时间的相对误差小于0.35%，修正后的测量温度的相对误差小于0.65%。

图9　系统修正后的测量结果及误差分析Fig.9 The revised measuring results and error analysis

5　结论

本系统基于超声波的传播速度与环境温度的关系，以STC12单片机作为系统硬件电路控制核心，同时为避免接收波前缘延时的问题，选取幅调和相调信号作为发射波，测量超声波在恒温箱空气介质中固定距离下的飞行时间，间接测量介质的平均温度。实验结果证明本系统可以准确测量温度，温度范围在35°C—90°C。在实验测量空间、电路设计和超声波换能器的作用温度等限制条件下，本系统仍对温度反应较灵敏，精度较高，对以后的超声波温度场测量系统具有重要的实用价值，是一个具有进一步开发潜力的实验系统。目前，此系统在微生物培养的非接触式测温和仓储粮食温度检测等低温测量领域具有重要的实用价值。

在本系统之后的超声波温度测量实验中，可以选用温度范围更广的超声换能器、尝试其他的发射脉冲应用于飞行时间测量或采用其他的测量方法等途径，不断扩大测量温度范围，实现高温测量和温度场的测量，应用于更多工业测量领域，如热电站锅炉火焰、发动机燃烧室的温度场测量等领域，同时还要减小系统误差，提高系统可靠性。

［1］戴景民.辐射测温的发展现状与展望［J］.自动化技术与应用，2004，23（3）：1-7. DAI Jingmin.Survey of radiation thermometry［J］. Autom.Technol.Appl.，2004，23（3）：1-7.

［2］范洪辉，朱洪锦，柳田裕隆，等.超声波信号渡越时间参数法测量空气中温度分布［J］.应用声学，2010，29（1）：53-57. FAN Honghui，ZHU Jinhong，HIROTAKA Yanagida，et al.Measurement of air temperature distribution based on ultrasonic time of flight［J］.Appl.Acoust.，2010，29（1）：53-57.

［3］田丰，邵福群，王福利.声学法工业炉温度场检测的现状与关键技术［J］.科学技术，2002，30（6）：50-52. TIAN Feng，SHAO Fuqun，WANG Fuli.Status and key technology of acoustic method for industrial boiler temperature measurement［J］.Sci.Technol.，2002，30（6）：50-52.

［4］邵岩.声学法温度场图像重建的研究［D］.沈阳：东北大学，2008.

［5］TSAI W Y，HUANG C F，LIAO T L.New implementation of high-precision and instant-response air thermometer by ultrasonic sensors［J］.Sens.Actuators A，2005，117（1）：88-94.

［6］张华宇，谢凤芹，李强.基于超声波飞行时间的空气温度场重建［J］.应用声学，2012，31（2）：93-97. ZHANG Huayu，XIE Fengqin，LI Qiang.Temperature field reconstruction system based on ultrasonic time-offlight technique［J］.Appl.Acoust.，2012，31（2）：93-97.

［7］HUANG Y P，WANG J S，HUANG K N，et al.Envelope pulsed ultrasonic distance measurement system based upon amplitude modulation and phase modulation［J］.Rev.Sci Instrum.，2007，78（6）：1-8.

［8］司春宁.基于超声波的距离测量系统的研究及其应用［D］.上海：东华大学，2009.

［9］闫茹.声速修正公式分析［J］.内蒙古石油化工，2012，（5）：57-58. YAN Ru.Analysis of the sound velocity correction formula［J］.Inner Mongolia.Oils Chem.，2012，（5）：57-58.

［10］买买提热夏提·买买提，亚森江·吾普尔，复尔开提·夏尔丁，等.简谈空气中的声速与温度关系［J］.物理实验，2007，27（11）：43-44，47. MAMAT Mamatrishat，WUPUER Yasenjiang，XIAERDING Puerkaiti，et al.Brief study on the relation between sound velocity in the air and temperature［J］.Phys.Exp.，2007，27（11）：43-44，47.

［11］HUA H，WANG Y T，YAN D Y.A low-cost dynamic range-finding device based on amplitude-modulated continuous ultrasonic wave［J］.IEEE Trans Instrum.Meas.，2002，51（2）：362-367.

［12］王启山.常见温度下饱和水蒸汽分压力的计算［J］.天津理工学院学报，1986，（2）：40-43. WANG Qishan.The calculation of saturated steam partial pressure under the common temperature［J］.Journal of Tianjin Institute of Technology，1986，（2）：40-43.

［13］姚久民，王丽丽，客海滨，等.空气密度与气体普适常量测量实验的改进［J］.物理实验，2011，31（12）：24-26. YAO Jiumin，WANG Lili，KE Haibin，et al.Improvement of the experiment on air density and the universal gas constant［J］.Phys.Exp.，2011，31（12）：24-26.

［14］徐斌.一种考虑起振延迟的低频超声波短距高精度测量校准方法［J］.传感技术学报，2013，26（5）：666-669. XU Bin.Identifying and calibrating start-up delay in short-range high-precision measurement with lowfrequency ultrasonic［J］.China J.Sens.Actuators，2013，26（5）：666-669.

［15］沈常宇，郭宝金.相位比较法高精度超声测距研究［J］.传感技术学报，2010，23（6）：893-895. SHEN Changyu，GUO Baojin.High accuracy distance measurement by ultrasonic based on the phase difference［J］.China J.Sens.Actuators，2010，23（6）：893-895.

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）

宋灿（1991-），女，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向：声学层析成像。†

E-mail：102921sc@163.com