張?zhí)旌?，凌　旭，張興紅

(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，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；2．湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南衡陽(yáng)　421005)

0　引言

溫度是一個(gè)基本的物理現(xiàn)象，它是生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最普遍、最重要的工藝參數(shù)[1]。溫度傳感器是現(xiàn)代測(cè)試和工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用頻率最高的傳感器之一。當(dāng)前，主要的溫度傳感器，如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計(jì)等的技術(shù)已經(jīng)成熟，且各自都有優(yōu)點(diǎn)。例如，熱電偶的可測(cè)溫度范圍最寬，而熱電阻的測(cè)量線性度最優(yōu)，熱敏電阻的測(cè)量精度最高[2]。但是它們不能滿足許多領(lǐng)域的要求，尤其是高科技領(lǐng)域。因此，各國(guó)專(zhuān)家都在開(kāi)發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊的實(shí)用測(cè)量技術(shù)。

超聲波具有在超過(guò)±3 000 ℃的高低溫下傳播特性，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，在高溫時(shí)固體中的聲速變化率最大，而在低溫時(shí)氣體中的聲速變化率最大；超聲波頻率很高，在測(cè)量中可有效避免混入噪聲，使測(cè)量精度顯著提高，而且超聲波的指向性好，可使聲波的干擾和反射最小，滿足精確測(cè)量的要求[3]。因此，有必要利用超聲波技術(shù)研究高精度的超聲波溫度傳感器。

1　超聲波溫度傳感器原理

超聲波溫度傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)?？墒孤暡ǖ母蓴_和反射最小，滿足精確測(cè)量的要求。

超聲波溫度傳感器以介質(zhì)本身作為敏感元件，當(dāng)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，通過(guò)測(cè)量超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度，即可間接測(cè)得被測(cè)介質(zhì)溫度[4]。

超聲波在理想的氣體中的傳播可以認(rèn)為是絕熱過(guò)程，其傳播速度v為

(1)

由速度與傳播時(shí)間的關(guān)系(v=d/T)可得：

(2)

式中：R為氣體常數(shù)；r為定壓比熱容和定容比熱容之比，r=cp/cv；M為分子質(zhì)量；d為超聲波傳播距離；T為超聲波傳播時(shí)間；ρ為氣體分子密度；p為氣體壓強(qiáng)；Q為絕對(duì)溫度。

對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，影響聲速的最主要敏感因素是溫度，且兩者關(guān)系如下：

(3)

由式(3)可知，只要測(cè)出氣體中聲波的傳播速度v，便可求得溫度Q，這就是超聲波測(cè)溫時(shí)，當(dāng)測(cè)溫介質(zhì)為空氣時(shí)的測(cè)溫原理。

2　超聲波溫度傳感器設(shè)計(jì)

2．1超聲波溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲波溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由超聲波換能器、管體，以及在管體中被密封的傳播介質(zhì)3部分組成。超聲波換能器用于發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，管體是超聲波傳播的通道，傳播介質(zhì)是超聲波傳播的載體，可以是氣體、液體或固體。在測(cè)量中，當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，超聲波傳播速度也將保持不變，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，熱量將通過(guò)管體傳遞到管體內(nèi)部的介質(zhì)，當(dāng)超聲波信號(hào)通過(guò)時(shí)，由于溫度的變化，傳播速度也將發(fā)生變化。通過(guò)定時(shí)激勵(lì)超聲波換能器發(fā)出超聲波信號(hào)，并及時(shí)對(duì)接收到信號(hào)進(jìn)行采集，再通過(guò)采集的數(shù)據(jù)可以分析出超聲波傳播的時(shí)間，從而得到超聲波的傳播速度。替換超聲波溫度傳感器內(nèi)部的介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)不同精度和量程的測(cè)量。

圖1　超聲波溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．2超聲波溫度傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)

傳感器硬件電路設(shè)計(jì)在超聲波溫度傳感器設(shè)計(jì)中占有重要位置。設(shè)計(jì)的合理性直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠程度，電路的性能是超聲波溫度傳感器高分辨率與高精度的最根本保證。

2．2．1信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

高精度超聲波溫度傳感器的信號(hào)處理電路是基于FPGA的硬件設(shè)計(jì)，如圖2所示，包括換能器驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路以及FPGA控制電路，還有高速數(shù)據(jù)采集控制、正弦信號(hào)發(fā)生器、通道切換控制邏輯、NIOS處理器與人機(jī)交互電路。

圖2　信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)框圖

2．2．2驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

超聲波信號(hào)必須達(dá)到一定的幅值和頻率才能產(chǎn)生所需要的超聲波信號(hào)，超聲波換能器將采集到的信號(hào)有效地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于在傳播過(guò)程中信號(hào)的衰減，需要進(jìn)一步的濾波放大，使信號(hào)滿足測(cè)量的需求。同時(shí)，為研制測(cè)量范圍更廣、精度更高的超聲波溫度傳感器，換能器可能隨時(shí)發(fā)生改變，超聲波的傳播頻率也可能發(fā)生調(diào)整，因此設(shè)計(jì)可調(diào)超聲波驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)滿足測(cè)量的需求。圖3為驅(qū)動(dòng)電源框圖。

圖3　驅(qū)動(dòng)電源框圖

2．2．3FPGA的選型與A/D轉(zhuǎn)換電路

由于超聲波在介質(zhì)中傳播速度很快，傳播時(shí)間非常短，這對(duì)超聲波信號(hào)處理電路中的數(shù)據(jù)采集提出很高的要求，保證時(shí)間測(cè)量的精度達(dá)到ns級(jí)，甚至ns級(jí)以上。超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)是超聲波溫度傳感器設(shè)計(jì)中最核心的部分，因此需選用符合要求的FPGA芯片和A/D轉(zhuǎn)換電路來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，達(dá)到高速高分辨率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的目的。

FPGA采用cyclone系列EP2C5T144I8器件。其內(nèi)部包括2個(gè)鎖相環(huán)、8個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、4 608個(gè)可編程邏輯單元，最高輸出速率可達(dá)622 Mbit/s，I/O口豐富，這對(duì)以后超聲波溫度傳感器功能擴(kuò)展使用來(lái)說(shuō)是非常方便的，而且不需要改變硬件電路就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的一些功能[5]。

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意，A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出應(yīng)與模擬輸入良好地隔離，放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路相鄰引腳間距應(yīng)在2 mm以?xún)?nèi)。A/D采用12位雙通道、流水線結(jié)構(gòu)、低功耗的ADC12DL080器件，采樣頻率80 MPS[6]。圖4為電路原理圖。

3　超聲波溫度傳感器的軟件算法設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)將針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行編程，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析與處理[7]。其核心部分是超聲波傳播時(shí)間的精確測(cè)量算法。

3．1傳播時(shí)間的精確測(cè)量算法

超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度直接影響著溫度測(cè)量精度，因此傳播時(shí)間的精確測(cè)量算法是超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心部分，文中采用軟件細(xì)分插補(bǔ)算法[4]。對(duì)于超聲波傳播時(shí)間的精確測(cè)量即是測(cè)量超聲波換能器從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。由于信號(hào)的發(fā)生采用基于dds原理的正弦波信號(hào)發(fā)生器，dds的相位累加器為22 bits，對(duì)于1 MHz的超聲波信號(hào)，信號(hào)分辨率高達(dá)23.84 ps，因此時(shí)間的起點(diǎn)可以明確確定。但是回波信號(hào)采用40 MHz的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行波形采集，采集數(shù)據(jù)間存在較大的時(shí)間間隔，對(duì)采集點(diǎn)的測(cè)量不能達(dá)到高精度。因此需對(duì)其波形進(jìn)行細(xì)分，實(shí)現(xiàn)高精度的傳播時(shí)間測(cè)量。

圖4　ADC12DL080的電路原理圖

3．2軟件細(xì)分插補(bǔ)算法

傳播時(shí)間的精確性測(cè)量取決于傳播終點(diǎn)時(shí)刻的精確度，利用軟細(xì)分插補(bǔ)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的細(xì)分，可使測(cè)量的傳播時(shí)間分辨率達(dá)到ns級(jí)別。圖5為軟件細(xì)分原理圖。

圖5　軟細(xì)分原理圖

首先，通過(guò)逐點(diǎn)比較A/D采樣點(diǎn)，找出采樣點(diǎn)的最大值，確定幅值最大的特征值波形；其次，通過(guò)查找比較的算法，確定超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的過(guò)零點(diǎn)P0的前一個(gè)采樣點(diǎn)P和后一個(gè)采樣點(diǎn)P+1，顯然在特征波內(nèi)采樣點(diǎn)P的采樣值大于零，采樣點(diǎn)P+1的采樣值小于零；最后，以采樣點(diǎn)P和P+1對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為基準(zhǔn)，用細(xì)分插補(bǔ)算法準(zhǔn)確計(jì)算出過(guò)零點(diǎn)P0所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻[7-9]。

設(shè)A/D的采樣頻率為FA/D，相鄰2個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間(采樣周期)為T(mén)A/D；從第一個(gè)采樣點(diǎn)到采樣點(diǎn)P之間的采樣數(shù)為N，采樣點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的采樣值為V1，采樣點(diǎn)P所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為T(mén)1；采樣點(diǎn)P+1對(duì)應(yīng)的采樣值為V2；采樣點(diǎn)P與過(guò)零點(diǎn)P0之間的時(shí)間為T(mén)2，過(guò)零點(diǎn)P0對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為T(mén)ZD，超聲波的傳輸時(shí)間為T(mén)，則：

(4)

(5)

在過(guò)零點(diǎn)附近較小的區(qū)域內(nèi)，正弦波的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補(bǔ)的方法確定T2：

(6)

則可計(jì)算過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，從而計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻：

TZD=T1+T2

(7)

通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)的證明，使用該方法測(cè)得超聲波傳播時(shí)間的分辨率能夠達(dá)到0.122 ns，測(cè)量的重復(fù)性在1 ns之內(nèi)。

4　實(shí)驗(yàn)研究

4．1分辨率實(shí)驗(yàn)研究

超聲波溫度傳感器精度高低完全取決于超聲波傳播速度的測(cè)量，文中將速度的測(cè)量轉(zhuǎn)換為超聲波在固定距離上的傳播時(shí)間的測(cè)量，根據(jù)分析，理論上測(cè)量的傳播時(shí)間可以達(dá)到ns級(jí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證實(shí)際數(shù)據(jù)是否滿足ns級(jí)超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量。

假設(shè)在這段時(shí)間內(nèi)溫度穩(wěn)定為25 ℃，則超聲波傳播的標(biāo)準(zhǔn)傳播時(shí)間可取其均值225 403.09 ns，從圖6中可以看出，大部分傳播時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)值的差都在±0.5 ns之內(nèi)，只有少數(shù)數(shù)據(jù)的誤差大于這個(gè)值，且其中最大誤差約為1 ns，雖然沒(méi)能達(dá)到理論分辨率的0.122 ns，但誤差仍然在ns級(jí)別，滿足傳感器設(shè)計(jì)的預(yù)期條件。

圖6　傳播時(shí)間描點(diǎn)圖

4．2時(shí)間與溫度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析

超聲波傳播介質(zhì)溫度與超聲波傳播時(shí)間的關(guān)系曲線如圖7所示，曲線上的點(diǎn)取值為對(duì)相同溫度下取6個(gè)傳播時(shí)間數(shù)據(jù)的平均值，從圖7中可以看到，超聲波傳播時(shí)間是隨環(huán)境溫度的增加而相應(yīng)地縮短，只要在實(shí)際測(cè)量中檢測(cè)到環(huán)境中超聲波的傳播時(shí)間，便對(duì)應(yīng)著1個(gè)環(huán)境溫度。

圖7　溫度與傳播時(shí)間的關(guān)系圖

5　結(jié)論

利用超聲波傳播速度在介質(zhì)中隨溫度變化而變化的特點(diǎn)為原理設(shè)計(jì)超聲波傳感器，通過(guò)測(cè)量超聲波在固定距離下的傳播時(shí)間，間接測(cè)量介質(zhì)溫度。以FPGA作為硬件電路核心，對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，并在NIOS中使用了細(xì)分插補(bǔ)算法來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，能夠精確地對(duì)信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)與采集，從而實(shí)現(xiàn)了有效回波信號(hào)的自動(dòng)采集，大幅度提高了超聲波測(cè)量溫度的范圍。超聲波傳輸時(shí)間的理論分辨率高達(dá)0.122 ns，有利于實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證超聲波傳播時(shí)間達(dá)到了ns級(jí)水平，能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率優(yōu)于0.001 ℃．

參考文獻(xiàn)：

[1]呂方瑤，張池軍，閆勇，等．一類(lèi)高精度溫度測(cè)量技術(shù)研究．電子測(cè)量技術(shù)，2011，34(8)：88-90．

[2]朱曉旭，周修文．溫度傳感器．電子測(cè)量技術(shù)，2013，3(5)：44-45．

[3]張興紅，蔡偉，向鳳云，等．精密超聲波溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2011(6)：31-33．

[4]蔡偉，劉淑香，向鳳云，等．基于FPGA的高精度超聲波溫度計(jì)設(shè)計(jì)．電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(8)：10-12．

[5]林立軍．FPGA在超聲氣體溫度測(cè)量中的應(yīng)用．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18(2)：347-349．

[6]張興紅，張慧，王先全，等．基于ARM的超聲波流量計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)．自動(dòng)化與儀表，2010(11)：18-26．

[7]阮建富．一種測(cè)量超聲波傳播時(shí)間的裝置．自動(dòng)化儀表，2006，27(3)：35-38．

[8]LIN S F，ZHANG H J．A new method for nondestructively measuring pressure based on the rayleigh wave．Proceedings of the 21th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference．Como:the IEEE Instrumemetation and Measurement Society，2004：2332-2336．

[9]彭東林，熊強(qiáng)強(qiáng)，劉小康，等．基于超聲電機(jī)技術(shù)的新型時(shí)柵傳感器原理分析．重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(7)：91-95．