基于静电换能器的超声波测温系统设计

刘 崎，王洪辉，庹先国，李 鄢，聂东林，张 涛

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.四川理工学院，四川 自贡 643000）

基于静电换能器的超声波测温系统设计

刘 崎1，王洪辉1，庹先国2，李 鄢1，聂东林1，张 涛1

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.四川理工学院，四川 自贡 643000）

针对超声波测量技术存在难以准确捕捉回波前沿起点的问题，设计基于宽频带、高接收灵敏度的静电换能器的超声测温系统，配合脉冲高压偏置驱动电路，得到前沿明显且易捕捉的回波信号；设计石英玻璃超声波传递通道，采用阈值检测法和钳位电路设计防误触发回波处理电路，提高系统的稳定性；选用高主频单片机STM32F407准确测量超声波传递时间，再以分段线性插值法对系统测温值进行标定。在恒温箱10～58℃的温度范围内将系统测温数据与高精度测温计TSIC506的测温值对比，实验结果表明系统可实现精准测温。

超声波测温；回波前沿；分段线性插值；静电换能器；STM32F407

0 引 言

温度是描述物质状态的重要参数，其测量在国防军事、工业生产、地质勘探、地质灾害监测等领域具有显著的作用。超声波测温技术是利用超声波在介质中的波速与介质温度之间的关系来实现测温[1-2]，与传统测温技术相比，其具有灵敏度高，测温范围广[3]，可用于极端特殊测温场合[4]等优点。

精准地测出超声波的传递时间是超声波测温技术的关键[5]。目前采用脉冲回波测量超声波传递时间的常用方法有阈值法、互相关法[6]。其中互相关法的测量精度高，但其以采样数据作为参考信号，运算处理的数据量过大，对处理器和存储器的要求较高[7]。阈值法简单实用，实时性好，但采用压电式换能器在发射与接收低频超声波的过程中，回波前沿的幅度往往与噪声的幅度相当，甚至被噪声淹没，需经历一段起振过程才能使回波幅度达到可被检测的量级，即使提高放大电路的放大倍数，噪声也会被随之放大，导致阈值法存在回波前沿起点难以确定的问题[6，8-9]。

本文提出了基于静电换能器的气体介质超声波测温系统，配合设计的脉冲高压偏置驱动电路，可得到起振迅速的回波信号，且回波信号前沿的信噪比高，将回波信号放大后，通过设定合适的阈值电压，即可精确捕捉到回波前沿，避免使用复杂的算法对波形进行大量的运算处理，降低了处理器的要求。

1 系统测温原理

1.1 超声波测温原理

超声波波速的测量精度与测温精度密切相关。

由文献[8]可知温度与波速的关系为

式中：γ——比热比；

M——气体的摩尔质量；

R——理想气体普适常数；

T——气体绝对温度；

t——超声波传递时间；

L——超声波传递距离。

1.2 超声波传递时间测量

超声波的传递时间就是发射信号与接收到回波信号之间的时间间隔[10]，而发射信号时间点由系统确定，因此回波信号时间点的测定成为系统的关键。

系统采用静电换能器及脉冲高压偏置驱动电路得到的回波信号和阈值检测电路的触发信号如图1所示，CH1是经放大后的回波信号，CH2是阈值检测电路输出的触发信号，可以看出被放大后的回波信号前沿的幅值远高于噪声信号的幅度，并且由于系统的超声波传递距离固定，反射及接收角度亦固定，阈值检测电路可以精确确定回波前沿的首波并输出触发信号。

图1 回波信号及触发波形

超声波传递时间的测量方法如图2所示，CH1通道是超声波发射及回波信号，CH2通道是RS触发器输出的高电平脉宽信号，以脉冲驱动信号触发RS触发器的置位端作为起始点，回波信号的首个前沿波作为终止点并复位RS触发器，最终RS触发器输出的高电平脉宽值即为超声波的传递时间，通过单片机定时器的捕获模式即可测得脉宽值。

图2 超声波传递时间确定方法图

2 系统硬件电路设计

图3 超声波测温系统结构图

2.1 系统总体结构

本超声波测温系统结构如图3所示。本系统主要由超声波传递通道、驱动电路、放大电路、阈值检测电路、STM32F407单片机及显示电路组成，超声波传递通道由超声波换能器、石英玻璃外壳以及密封在内的空气介质组成，其中超声波换能器同时作为发射器和接收器。

在每个测量周期开始，超声波驱动电路产生驱动信号激励换能器将电信号转化为声信号发射出超声波的同时，驱动信号将RS触发器的置位端置为高电平，使其输出端的电平由低变高，以此作为超声波传递时间的起始点。超声波发射后经过传递通道底部反射回来撞击换能器，并将声信号转化为电信号产生了回波信号，放大电路将回波信号的前几个振荡周期信号放大至饱和，回波信号的幅度超过阈值检测电路的阈值电压后触发RS触发器的复位端，使其输出电平由高变低，RS触发器输出的高电平脉宽即为超声波传递时间，用STM32F407单片机定时器的捕获模式即可测出脉宽值，再通过算法即可计算出温度并用液晶显示出来后，接着继续发射下一个超声波。

2.2 超声波传递通道

整个超声传递通道采用石英玻璃结构，将换能器牢牢地安装在通道一侧，用SMA连接器将换能器的两个端子引出，通过同轴电缆将信号输出到测量电路。常见金属的热膨胀系数为（10～20）×10-6/℃[11]，而石英玻璃的热膨胀系数仅为（5.3～5.8）×10-7/℃，本系统利用了石英玻璃热膨胀系数小的优点，使系统可有效避免环境温度、压力及振动等外界条件使通道长度发生改变，进而导致测量误差；此外，石英玻璃还有长时间耐高温高压、耐骤冷骤热、高耐腐的优点，除了氢氟酸以外的其他无机溶剂，其几乎都不受影响，以此提高了系统的稳定性和准确度。

2.3 换能器及驱动电路

换能器性能的优劣直接决定了回波信号的信噪比，进而影响信息的有效提取[12]。目前超声测温技术大多采用压电换能器，其结构简单，使用广泛，但其频带窄，最大接收灵敏度仅在-70dB左右。而宽频带换能器在较宽的频率范围内具有较平的幅度响应和线性、相位响应，便于传送窄脉冲信号，有较高的时域分辨率[13]，且可简化驱动电路的设计。系统选用仪表级静电换能器，其频带范围从20～100kHz，最高接收灵敏度达-22 dB，可提供快速、低抖动、高保真的响应。经估算，该换能器的自谐振频率为2MHz左右，远大于系统的50kHz驱动频率，因此可避免其自谐振带来的干扰。

静电换能器可看作容值为400～500 pF左右的电容，其中一个极板固定，而另一个极板（金属振膜）是可移动的，将换能器串联一个电阻并接上150 V直流偏置高压。每个测量周期开始，图4所示的驱动电路产生一个脉宽10μs，幅度15V的脉冲驱动信号作用于静电换能器，使已充电换能器的两极板之间产生如下式所示的相互作用力：

式中：ε——相对介电常数；

U——脉冲信号电压；

S——极板面积；

d——极板间距。

作用力使振膜发生振动，将电能转换为机械能，进而发射出超声波信号。同时，驱动信号将RS触发器的置位端置为高电平，作为超声波传递时间的起始点。

图4 驱动电路图

150V直流偏置高压是通过图5所示的电路产生的。电路利用电感充电时突然断电会产生反向高压的特性，配合LT1072开关稳压器SW引脚输出的重复频率为40kHz的脉冲信号，使Q3管处于连续开、关状态，电感始终处于充电和断电状态，LT1072的内部有一个增益很高的误差放大器，利用电阻R21和R22分压的作用，将分压值输入到LT1072的反馈引脚FB，以此在电路的输出端持续产生150 V直流高压。

图5 150V直流高压产生电路

图6 阈值检测电路

2.4 回波处理电路

超声波经过通道底部反弹并撞击超声波换能器，将超声波的能量转为机械能，极板振动使换能器的电容量发生改变，进而引起串联电阻两端电压发生变化而产生回波信号，回波经过放大电路放大后再经过如图6所示的阈值检测电路，当被放大后的回波信号幅度大于阈值电压，阈值检测电路的输出就会触发RS触发器复位，以此作为超声波传递过程的终止点。通过设计合适的放大倍数和比较器反相端的阈值电压，既可保证回波信号准确地触发，又能使噪声幅度不会超过阈值电压，以此保证了系统的准确测量。

驱动信号激励换能器的同时会经过阈值检测电路使RS触发器立即复位，这样会导致无法测量，为了保证系统工作时序的准确控制，系统设计了一个防误触发电路，每个周期开始，单稳态芯片LTC6993-1输出持续时间为665 μs的低电平信号将阈值检测电路的输出钳位，使阈值检测电路在此期间不会因驱动信号或偶然的干扰谐波而导致误触发。

3 系统软件设计

系统选用基于Cortex-M4内核的STM32F407单片机，其内嵌FPU指令，主频高达168 MHz，处理能力可达210DMIPS，远远高于市场上的普通单片机，内嵌1MB容量的Flash，拥有2个32位和12个16位的定时器，因此可以出色地完成对超声波传递时间的测量。系统的超声波测温流程图如图7所示。

单片机在测量时先初始化各外设，将参考数据存入Flash中，开启定时器中断分别先捕获上升沿和下降沿，并分别得到初始时间tstart和tend，超声波传递时间tu=tend-tstart。将10次传递时间测量值通过中位值滤波去掉最大值和最小值，并求得平均值后查表计算温度值，最终将温度值用液晶显示出来。

图7 系统测温流程图

4 超声波测温实验及结果分析

4.1 系统测温标定及温度测量

由于不同环境空气介质中的成分及密度等参数大不相同，直接由速度方程和热力学方程计算得到的温度值往往与实际温度值相差较大，因此需要将系统测温值标定。

考虑到电信号在电路中的延迟效应带来的时间差，在测量前，先用RS触发器输出指定脉宽的方波来标定STM32测量的脉宽值。再将系统的传递通道置于恒温箱内，把高精度测温计TSIC506（分辨率0.034℃，5～45℃范围内的精度±0.07℃）放置在测量通道正中央的内壁并保证其不会影响超声波的传递，将其测得的温度值作为参考值，每次以3℃步进改变恒温室内的温度并保持30min左右以使系统与TSIC506测温值达到稳定，记录不同温度下对应的超声波传递时间数据，最终得到的标定数据如表1所示。

表1 系统测温标定数据

图8 实际测量电路

温度与超声波传递时间在整个量程范围内并非完全的线性关系，但温度相邻很近的两点可被认为是线性的。所以本文采用分段线性插值法，将表1的数据作为参考点，生成一个温度值与超声波传递时间关系的分度表并存贮于STM32的Flash中。TSIC506在5～45℃温度范围内的误差是±0.07℃，当相邻两个参考点的误差分别是0.07℃和-0.07℃时，系统理论上的测量误差最大且为0.14℃；在45～60℃范围内的误差是0.1℃，理论上最大的测量误差同理为0.2℃；因此系统的理论误差均在允许范围内。系统在每次测量时，先判断测得的传递时间t在表中所属分段，再将两个参考点（t1，T0+ΔT）和（t2，T0）看作是线性关系，通过下式即可将温度值计算出来。

图9 系统测试结果与误差分析

4.2 系统测试及误差分析

系统（如图8）测试在9～58℃的同一恒温箱内进行，方法与系统标定方法相同，测试结果及误差分析如图9所示。由测试结果可看出，本系统在恒温箱内测温的绝对误差在±0.15℃以内，相对误差在±0.35%以内。

综合系统设计与实验结果，分析误差产生的原因主要有以下4点：

1）由于TSIC506属于单点测温，不能反映整个恒温箱的平均温度。

2）TSIC506在 5～45℃温度范围内的精度为±0.07℃，存在一定的误差。

3）随着温度的变化，单片机的晶振会产生温漂，使频率稳定性下降，进而导致测量误差。

4）空气环境、湿度等因素可能产生误差。

5 结束语

本文针对采用压电式换能器难以准确捕捉回波前沿的问题，设计并实现了一种基于静电式换能器的超声波测温系统，配合脉冲高压偏置驱动电路，得到了前沿幅度高、易准确捕捉的回波信号，解决了阈值法回波前沿起点难以确定的问题；设计的石英玻璃结构传递通道，提高了系统的稳定性；通过设计精密的回波处理电路和防误触发电路，保证了回波信号准确触发，提高了系统测量的准确度。采取脉宽测量预先标定和分段线性插值法，提高了系统测量的精确度。进一步将研究数学模型和相关算法，以提高系统的精度及稳定性。

[1]JIA R， XIONG Q， WANG L， et al.Study of ultrasonic thermometry based on ultrasonic time of flight measurement[J].Aip Advances，2016，6（3）：23-33.

[2]PODESTA M D，SUTTON G，UNDERWOOD R，et al.Practical acoustic thermometry with acoustic waveguides[J].International Journal of Thermophysics，2010，31 （8）：1554-1566.

[3]宋灿，刘石，任思源.基于超声波飞行时间的温度测量系统实验研究[J].应用声学，2015，34（4）：351-357.

[4]王魁汉，吴玉锋，张广立.特殊场合下的温度测量技术[J].上海计量测试，2004，31（1）：8-12.

[5]张天恒，王培懿，张兴红.高精度分体式多通道超声波温度计的设计[J].传感技术学报，2016，29（2）：177-181.

[6]赖国强，石为人，熊庆宇，等.基于回波包络上升沿拟合的超声波飞行时间测量方法[J].传感技术学报，2014（7）：922-927.

[7]王宏江，郭会军，李军怀.超声回波信号包络相关时延估计优化算法[J].计算机工程与应用，2012，48（20）：154-157.

[8]任思源.超声法气体温度场的TSR算法重建及实验研究[D].北京：华北电力大学，2015.

[9]JIANG S B， YANG C M， HUANG R S， et al.An innovative ultrasonic time-of-flight measurement method using peak time sequences of different frequencies：Part I[J].IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement，2011，60（3）：735-744.

[10]张兴红，张慧，陈锡侯，等.一种精密测量超声波传输时间的方法[J].北京理工大学学报，2011，31（6）：717-721.

[11]WAN G B， HUANG Z X， SHI M X， et al.Researching of the active and the passive damping of syntactic foam and piezoelectric composite[J].Applied Mechanics&Materials，2013（455）：119-122.

[12]李世平，唐炼，丛健生.叠片型多极子阵列声波测井仪接收换能器灵敏度分析[J].测井技术，2012，36（6）：620-623.

[13]胡静，贺西平.穿单孔宽带夹心式换能器[J].西北大学学报（自然科学版），2008，38（4）：555-559.

（编辑：刘杨）

Design of ultrasonic thermometry system based on electrostatic transducer

LIU Qi1，WANG Honghui1，TUO Xianguo2，LI Yan1，NIE Donglin1，ZHANG Tao1
（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection（Chengdu University of Technology），Chengdu 610059，China；2.Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

To solve the problem that the ultrasonic technology can hardly capture the start point of echo leading edge，an ultrasonic thermometry system based on an electrostatic transducer with wide band and high receive sensitivity is designed.With a pulse high voltage drive circuit，it captures an easily captured echo signal with obvious leading edge.An ultrasonic wave transmission path with quartz glass material is designed and threshold detection method and clamping circuit are used to design a miss-trigger prevention echo processing circuit to improve the system’s stability.A high frequency MCU of STM32F407 is selected to measure the ultrasonic transmission time accurately and the piecewise linear interpolation method is used to calibrate the value of system thermometry.By contrasting the measured value of the system with the measured value of highprecision temperature measuring meter TSIC506 in a Calorstat with temperature range of 10-58℃，the results show that the system can measure the temperature accurately.

ultrasonic thermometry；echo leading edge；piecewise linear interpolation；electrostatic transducer；STM32F407

A

1674-5124（2017）04-0068-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.015

2016-09-15；

2016-11-18

国家创新研究群体科学基金（41521002）；成都理工大学骨干教师计划项目（KYGG201513）

刘 崎（1993-），男，辽宁丹东市人，硕士研究生，专业方向为仪器仪表工程。

王洪辉（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，博士，研究方向为测试计量技术与仪器。