高精度分體式多通道超聲波溫度計(jì)的設(shè)計(jì)*

張?zhí)旌悖跖嘬玻瑥埮d紅，陳鴻雁

（1.重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶400054；2.重慶理工大學(xué)時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054；3.重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054）

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高精度分體式多通道超聲波溫度計(jì)的設(shè)計(jì)*

張?zhí)旌?，2*，王培懿3，張興紅1，2，陳鴻雁3

（1.重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶400054；2.重慶理工大學(xué)時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054；3.重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的溫度傳感器在極端與特殊條件下無(wú)法滿足測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)了分體式多通道的超聲波溫度計(jì)。將多對(duì)測(cè)量頭均勻布置在裝有被測(cè)介質(zhì)的容器外側(cè)的各個(gè)方位，利用FPGA的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)精確確定超聲波傳播的起點(diǎn)時(shí)刻，通過分塊查找的特征波查找算法、高速高分辨率的信號(hào)采樣電路和直線插補(bǔ)算法相結(jié)合，利用過零點(diǎn)兩側(cè)的采樣點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)時(shí)刻的高精度檢測(cè)，進(jìn)而精確計(jì)算出超聲波傳輸時(shí)間。在傳播距離一定的條件下，以水為介質(zhì)為例進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：分體式多聲道超聲波溫度計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)超聲波傳輸時(shí)間的分辨率ns級(jí)的測(cè)量，從而確保了對(duì)溫度的高精度測(cè)量。

關(guān)鍵詞：分體式；超聲波；特征波；直線插補(bǔ)算法

溫度是國(guó)際單位制中七個(gè)基本的物理量之一［1］，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的過程中，對(duì)溫度的精確測(cè)量具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。隨著科技的發(fā)展，溫度測(cè)量技術(shù)也經(jīng)歷了日新月異的變化。針對(duì)在高溫、真空、還原等強(qiáng)腐蝕性場(chǎng)合下不能用常規(guī)的傳感器，在不同的特殊場(chǎng)合，用特殊材料的保護(hù)管加熱電偶，進(jìn)行溫度測(cè)量，但是存在的問題是熱電偶?jí)勖獭⑵畲螅?-3］。紅外測(cè)溫具有測(cè)溫速度快、非接觸、測(cè)溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)在第18屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上首次把輻射測(cè)溫作為復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的方法，但是輻射式測(cè)溫測(cè)量誤差比較大。對(duì)于大型空間或容器中物質(zhì)的溫度測(cè)量，如大型鍋爐、反應(yīng)釜中的高溫液體溫度測(cè)量［4-5］，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫或者輻射測(cè)溫都是很難實(shí)現(xiàn)，因此急切需要一種新的測(cè)溫方法來(lái)獲得介質(zhì)的內(nèi)部溫度。

在理論上超聲波測(cè)溫是不受溫度限制的，在許多固體與液體中聲速一般隨溫度的變化而變化。超聲波頻率很高，在測(cè)量中可有效避免混入噪聲，使測(cè)量精度大大提高，而且超聲波的指向性好，可使聲波的干擾和反射最小，達(dá)到精確測(cè)量的要求［6-9］；本文根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播速度隨介質(zhì)溫度變化而變化的特點(diǎn)，通過采用分體式多聲道結(jié)構(gòu)，將多對(duì)測(cè)量頭均勻布置在裝有被測(cè)介質(zhì)的容器外側(cè)的各個(gè)方位，讓超聲波在多聲道傳播，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)介質(zhì)溫度的精確測(cè)量。

1　分體式多通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示為分體式測(cè)量頭的安裝示意圖。圖中測(cè)量頭的核心部分是壓電超聲換能器。圖中四對(duì)超聲波換能器（E11與E21、E12與E22、E13與E23、E14與E24）分別被相對(duì)安裝在裝有被測(cè)介質(zhì)的圓柱型容器外壁上，構(gòu)成超聲波的多聲道傳播，其中換能器的安裝位置要低于被測(cè)介質(zhì)的高度，以便于超聲波穿過被測(cè)介質(zhì)。4個(gè)換能器E11、E12、E13、E14構(gòu)成發(fā)射換能器組E1，發(fā)射換能器組E1用于發(fā)射超聲波信號(hào)；而換能器E21、E22、E23、E24構(gòu)成接收換能器組E2，接收換能器組E2用于接收超聲波信號(hào)。

圖1　分體式測(cè)量頭的安裝示意圖

這種分體式安裝結(jié)構(gòu)可以有效避免測(cè)量頭與被測(cè)介質(zhì)接觸，降低了測(cè)量頭對(duì)材質(zhì)的要求。同時(shí)，多對(duì)測(cè)量頭均勻布置在被測(cè)對(duì)象的各個(gè)方位，構(gòu)成了多聲道的溫度測(cè)量系統(tǒng)，由此獲取多個(gè)位置的溫度值，對(duì)這幾個(gè)溫度值進(jìn)行算術(shù)平均，就可得到最終的溫度值。這種設(shè)計(jì)降低了隨機(jī)誤差造成的影響，使得出的結(jié)果更接近真實(shí)值。

2　分體式多通道超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)原理

圖2所示的為分體式多通道超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖。分體式多通道超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)可編程門列陣FPGA（Field Pro?grammable Gate Array）、中央處理單元CPU、超聲波發(fā)射換能器組E1、超聲波接收換能器組E2、通道切換電路、功率放大電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、鍵盤電路和RS485串行通信構(gòu)成。

中央處理單元CPU控制現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FP?GA輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)依次通過D/A轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路傳輸至通道切換電路，通道切換電路進(jìn)行通道切換，使得有一定能量的驅(qū)動(dòng)信號(hào)逐一輪流驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器組E1中的換能器發(fā)射超聲波。接收換能器組E2中對(duì)應(yīng)的換能器接收從發(fā)射換能器組E1中的換能器所發(fā)射的超聲波信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為超聲波回波信號(hào)，超聲波回波信號(hào)經(jīng)過濾波電路和放大電路處理后由A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采集，被采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，中央處理單元CPU對(duì)存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，算出超聲波在每一組相對(duì)的換能器之間的傳播時(shí)間，由傳播時(shí)間間接計(jì)算出溫度值。這樣四對(duì)超聲波換能器就可以得到四個(gè)溫度值。最后CPU對(duì)這四個(gè)值進(jìn)行算術(shù)平均就能得出最終的溫度值并在LED上顯示出來(lái)或者通過RS485將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌庠O(shè)終端。

3　超聲波時(shí)間測(cè)量方法

3.1特征波的確定

影響分體式超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)溫度精度的主要因素是超聲波傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性，為保證對(duì)溫度的精密測(cè)量，必須采用高精度的傳播時(shí)間測(cè)量方法來(lái)解決時(shí)間的測(cè)量問題。在超聲波測(cè)溫技術(shù)圖3超聲波的傳播時(shí)間中，超聲波的傳播時(shí)間就是換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)與另一端換能器接收到的回波信號(hào)之間的時(shí)間間隔。因此只要準(zhǔn)確確定超聲波傳播時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)間，就可以準(zhǔn)確測(cè)量傳播時(shí)間。超聲波信號(hào)是換能器受到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下發(fā)射的，而超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由構(gòu)建于FPGA中的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的，因此超聲波傳播的起點(diǎn)時(shí)刻可以由控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的FPGA精確確定。在精確控制傳播時(shí)間起點(diǎn)的情況下，只要精確確定終點(diǎn)時(shí)刻就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間的精密測(cè)量。

圖3所示為超聲波波形隨時(shí)間變換曲線的示意圖。圖中超聲波信號(hào)為八個(gè)連續(xù)的幅值相等正弦波，而超聲波回波信號(hào)也是由一組連續(xù)的幅值不相等正弦信號(hào)組成，由于波形的疊加和信號(hào)的能量衰減，前八個(gè)波形的幅值逐漸增加，當(dāng)幅值達(dá)到最大值后開始逐漸減小，直至幅值為零。超聲波傳播時(shí)間的起點(diǎn)設(shè)定為超聲波信號(hào)中第八個(gè)波形的過零點(diǎn)，則超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)為換能器接收到的超聲波回波信號(hào)中幅值最大波形的過零點(diǎn)，如果將回波信號(hào)中幅值最大的波形稱為特征波，將特征波的過零點(diǎn)稱為特征點(diǎn)，那么超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)就是特征點(diǎn)［10］。

圖3　超聲波波形隨時(shí)間變換曲線

3.2特征波查找算法

首先要找到存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部RAM存儲(chǔ)模塊中幅值較大的采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)該采樣數(shù)據(jù)查找采樣點(diǎn)的幅值，進(jìn)而找到回波信號(hào)中波形最大的特征波。在對(duì)特征波查找算法進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，既要能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，同時(shí)還要保證程序的運(yùn)行效率。數(shù)據(jù)查找是計(jì)算機(jī)應(yīng)用中常用的一種基本運(yùn)算，在實(shí)際應(yīng)用中比較常用的查找算法包括：順序查找、折半查找、分塊查找和散列查找四種［11］。順序查找算法效率低，折半算法對(duì)數(shù)據(jù)列表要求較高，只適用于已經(jīng)列好序列的數(shù)據(jù)表，散列查找算法則是不容易建立散列函數(shù)，分塊查找算法采用將順序查找算法與折半查找算法相結(jié)合，既保證了查找效率，又降低了對(duì)數(shù)據(jù)列表的要求，同時(shí)軟件程序處理難度較低，非常適合對(duì)回波信號(hào)中最大特征波的查找。

基于分塊查找算法的最大特征波程序流程圖如圖4所示。首先采用分塊查找算法將RAM存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)分成20塊，在每一塊中以每32個(gè)數(shù)據(jù)編為1組查找出每一組的最大值，再將各組的最大值進(jìn)行比較找出最大值，確定特征波。

圖4　最大特征波查找程序流程圖

3.3基于A/D采樣和直線插補(bǔ)的時(shí)間測(cè)量方法

為保證分體式多通道超聲波溫度計(jì)達(dá)到0.001℃的分辨率，超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量必須達(dá)到或小于納秒級(jí)。傳播時(shí)間測(cè)量原理是：通過采用高速高分辨率的信號(hào)采樣電路和直線插補(bǔ)算法對(duì)回波信號(hào)特征波上的所有采樣點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用過零點(diǎn)兩側(cè)的采樣點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)時(shí)刻的高精度檢測(cè)，進(jìn)而精確計(jì)算出超聲波傳輸時(shí)間，保證對(duì)溫度高精度的測(cè)量。具體算法如下：第一，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D采樣電路對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部的RAM中；第二，對(duì)A/D采樣數(shù)據(jù)逐點(diǎn)進(jìn)行比較從中找出幅值最大的特征波；第三，在特征波確定以后，找出特征波上的兩個(gè)點(diǎn)P和P1，其中點(diǎn)P的采樣值大于零，P1的采樣值小于零，則特征波的過零點(diǎn)P0，即超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)就在這兩點(diǎn)之間。第四，根據(jù)采樣點(diǎn)P和P1兩點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻的值，利用數(shù)字?jǐn)M合細(xì)分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳輸時(shí)間的終點(diǎn)P0所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。最后，用超聲波終點(diǎn)時(shí)刻減去起點(diǎn)時(shí)刻算出超聲波傳輸時(shí)間。

設(shè)fA/D為模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D的采樣頻率，tA/D為相鄰的兩點(diǎn)之間的時(shí)間；N為第一個(gè)采樣點(diǎn)到點(diǎn)P之間的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，V1為點(diǎn)P的采樣值，t1為點(diǎn)P所處時(shí)刻；V2為點(diǎn)P1的采樣值；t2為點(diǎn)P與點(diǎn)P0之間的時(shí)間，tend為點(diǎn)P0對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為，tstart為超聲波傳播時(shí)間的起點(diǎn)時(shí)刻，t為超聲波的傳輸時(shí)間，?u為超聲波信號(hào)的輸入頻率則：

在過零點(diǎn)附近將正弦波當(dāng)作直線來(lái)處理，采用直線插補(bǔ)方法可以計(jì)算出t2：

超聲波傳輸時(shí)間的終點(diǎn)時(shí)刻為：

超聲波傳輸時(shí)間的起點(diǎn)時(shí)刻為tstart，過零點(diǎn)P0對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為tend，則超聲波的傳輸時(shí)間為t［12］：

由式（1）、式（2）、式（5）及文獻(xiàn)［12］可知超聲波傳播時(shí)間的分辨率R為：

由上述分析可以知道：超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量分辨率與A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率的位數(shù)以及超聲波的頻率有關(guān)。超聲波頻率越高，超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量越精確；當(dāng)超聲波輸入頻率?u為定值時(shí)，選用的A/D分辨率RA/D位數(shù)越高，一個(gè)周期內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)越多，采樣就越精確。當(dāng)超聲波信號(hào)的頻率?u為1 MHz，A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC12DL040的分辨率RA/D是12 bit，則超聲波傳輸時(shí)間的分辨率R為：

4　實(shí)驗(yàn)研究

4.1達(dá)到ns級(jí)的分辨率實(shí)驗(yàn)研究

在超聲波傳播距離已知時(shí)，溫度的測(cè)量就轉(zhuǎn)化為傳播時(shí)間的測(cè)量。因此要實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量就必須解決時(shí)間的精密測(cè)量問題，傳播時(shí)間的測(cè)量精度必須達(dá)到甚至優(yōu)于1 ns。實(shí)驗(yàn)中以水作為傳播介質(zhì)，并將超聲波的傳播距離設(shè)為338 mm，在溫度為25℃時(shí)，在一小時(shí)內(nèi)測(cè)出的傳播時(shí)間數(shù)據(jù)中，取150個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)。通過該實(shí)驗(yàn)可以反映超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度，以及傳播時(shí)間測(cè)量重復(fù)性。

為了更加清楚的看出超聲波傳播時(shí)間的具體情況，將取得的150個(gè)超聲波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，求得結(jié)果為225 403.112 ns，將傳播時(shí)間數(shù)據(jù)與算術(shù)平均值作差值運(yùn)算，得出圖5所示的超聲波傳播時(shí)間誤差曲線。從圖5的誤差曲線可以看出，在溫度為25℃的恒溫條件下，超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量誤差在±1.2 ns之間，其中絕大部分的測(cè)量誤差在±0.9 ns之間，只有少量的測(cè)量誤差大于1 ns。采用中位值平均濾波法能夠消除偶然的脈沖干擾所造成的采樣值的偏差［13］，能夠達(dá)到分體式超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)傳播時(shí)間測(cè)量精度優(yōu)于1 ns的要求。

圖5　超聲波傳播時(shí)間誤差曲線

4.2時(shí)間與溫度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析

同樣以水作為超聲波的傳播介質(zhì)，超聲波傳播的介質(zhì)溫度與超聲波傳播時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示，曲線上的點(diǎn)取值為對(duì)相同溫度條件下，取6個(gè)傳播時(shí)間數(shù)據(jù)的平均值，從圖6中可以看到超聲波傳播時(shí)間是隨環(huán)境溫度的升高而相應(yīng)地縮短。具體對(duì)應(yīng)不同的介質(zhì)與特殊溫度的條件下，超聲波的傳播速度與溫度之間的特定關(guān)系，還需要通過建模與特定的實(shí)驗(yàn)條件下來(lái)確定，從而驗(yàn)證超聲波溫度計(jì)的可行性［14］。

圖6　溫度與傳播時(shí)間的關(guān)系圖

5　結(jié)論

為解決極端與特殊條件下不能用傳統(tǒng)的溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，設(shè)計(jì)了分體式多通道的超聲波溫度計(jì)，將多對(duì)測(cè)量頭均勻布置在裝有被測(cè)介質(zhì)的容器外側(cè)的各個(gè)方位，構(gòu)成了多聲道的溫度測(cè)量系統(tǒng)。以FPGA為核心，驅(qū)動(dòng)信號(hào)精確確定超聲波傳播時(shí)間的起點(diǎn)時(shí)刻，超聲波傳播中特征波的過零點(diǎn)就是超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)時(shí)刻。采用基于分塊查找的特征波查找算法與基于A/D采樣和直線插補(bǔ)的時(shí)間測(cè)量方法，能夠精確的實(shí)現(xiàn)超聲波有效回波信號(hào)的自動(dòng)采集，使分體式多通道超聲波溫度計(jì)對(duì)傳播時(shí)間測(cè)量精度優(yōu)于1 ns的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率高于0.001℃的溫度測(cè)量。

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張?zhí)旌悖?973-），男，甘肅武威人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榫軆x器及機(jī)械和智能傳感器，zth@cqut.edu.cn；

張興紅（1970-），男，甘肅武威人，博士，教授，主要研究方向?yàn)閹缀瘟烤軠y(cè)量技術(shù)與傳感器，zxh@cqut.edu.cn。

The Design of High Precision Split Type and Multi-Channel Ultrasonic Thermometer*

ZHANG Tianheng1，2*，WANG Peiyi3，ZHANG Xinhong1，2，CHEN Hongyan3
（1.Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipmen（tMinistry of Education）Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China；2.Chongqing Key Laboratory of Time-Grating Sensing and Advanced Testing Technology Chongqing University ofTechnology，Chongqing 400054，China；3.School of Electronic Information and Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

Abstract：The traditional temperature sensor can’t meet the requirements of measurement under harsh and particu?lar conditions，the split type and multi-channel ultrasonic thermometer is designed.Several couples of measuring heads are set in each lateral position of the containers of measured medium.The starting point of ultrasonic wave propagation is accurately determined by control signal of FPGA.According to the combination of characteristic wave search algorithm through blocking search，the high-speed and high-resolution signal sampling circuit and lin?ear interpolation algorithm，utilizing the both sides of sampling point which close to zero point to complete the accu?rate detection of end time of ultrasonic wave propagation，and then precisely compute the ultrasonic transmission time.When propagation distance is definite，a simulated experiment with water as medium is accomplished，Result shows that the split type and multi-channel ultrasonic thermometer can process ns level measurement of the resolu?tion of the ultrasonic transmission time，which ensuring high precision of temperature measurement.

Key words：plit type；ultrasonic；characteristic wave；linear interpolation algorithm

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.005

收稿日期：2015-09-17修改日期：2015-10-12

中圖分類號(hào)：TP216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699（2016）02-0177-05

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275551，51405049，51406020）；國(guó)家科技部重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目（2013YQ220893）