一种利用超声波技术精密测量温度的方法及测量仪技术

本发明专利技术涉及一种利用超声波技术精密测量温度的方法及测量仪，主要由超声波温度传感器、超声波换能器驱动电路、超声波回波信号处理电路和接口电路组成。超声波温度传感器包括超声波换能器和充满能传播超声波介质的密闭管体两部分。超声波换能器驱动电路主要包括数模转换器Ｄ／Ａ和功率放大电路。超声波回波信号处理电路主要由滤波电路、放大电路和Ａ／Ｄ、ＦＰＧＡ和ＣＰＵ组成。超声波换能器驱动电路驱动换能器发出超声波，超声波回波信号处理电路精密测量超声波在管体中的传播时间。超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化，测出超声波在管体中不同温度下的传播时间就可以实现温度的测量。所述温度计可以实现高精度温度测量，温度测量的精度取决于超声波传播时间的测量精度，测量范围取决于管体的长度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密传感器和检测
，具体涉及一种用超声波技术精密测量温 度的温度测量仪。
技术介绍
超声波的显著特征是频率高，因而波长短，绕射现象小，方向性好，能够定向传播， 传播时遇到杂质或分界面就会有显著的反射。随着电子技术的发展，超声波技术越来越多 的应用于温度等的精密测量。 超声波在介质中传播时，传播速度随温度、压强等状态参量的变化而变化。超声波 在气体中传播时传播速度每秒约数百米，随温度升高而增大，0°c时空气中音速为331. 4米 /秒，15°C时为340米/秒，温度每升高1°C，音速约增加0. 6米/秒。测得传输距离不变时 超声波在不同温度下的传播时间，就可以测得温度。例如，20°C时超声波的速度是344米 /秒，21°C时超声波的速度是344. 6米/秒，如果超声波的传输距离是0. 3米，则在20°C时 超声波的传输时间是8. 7209X 10_4秒，在21°C时超声波的传输时间是8. 7057X 10_4秒，在 21°C时和20°C时超声波的传输时间差为1. 52X 10_6秒。要保证测量达到0. 001°C的测量分 辨率，要求超声波传输时间测量的分辨率要达到1 2纳秒才能实现。如果用常规的定时 计数电路测量超声波的传输时间，则时钟电路的频率至少要达到1G，这对于仪器开发来讲 显然很难实现。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，公开了一种测量分辨率可达0. OOrC的精密温度测量方法 和温度测量仪，设计了超声波温度传感器、FPGA电路和软件细分插补算法，可以在保证测量 实时性的前提下实现纳秒级超声波传输时间的测量，从而实现高精度温度测量。本专利技术采用的技术方案是本专利技术用于实现测量分辨率优于0. OOrC的精密温度测量，所述温度测量方法采 用超声波温度传感器、硬件电路及相关算法两部分。超声波温度传感器包括一个充满超声 介质的密闭耐压管体和分别安装在管体两端的两个超声波换能器El和E2 ；硬件电路主要 包括超声波换能器驱动电路、超声波回波信号滤波电路、放大电路和信号处理电路。信号处 理电路主要有模数转换器(A/D)、现场可编程门列阵(FPGA)和中央处理单元(CPU)。所述换能器El是压电式传感器，可以把具有一定能量的电信号转换为机械振动， 当信号的频率在超声波的频率范围内时，换能器El把电信号转换为超声波信号。换能器 E2也是压电式传感器，把机械振动转换为电信号，当超声波信号作用到超声波换能器E2上 时，它把超声波信号转换为电信号，该信号可以称之为超声波回波信号。所述超声波换能器驱动电路包括数模转换器(D/A)和功率放大电路。D/A转换器 用于把FPGA发出的数字正弦信号转换为模拟正弦信号，功率放大电路用于放大该正弦信 号的功率，使之有足够的能量驱动超声波换能器E1。所述A/D转换器主要用于把超声波回波模拟信号转换为数字信号，并输入FPGA。 所述FPGA电路主要功能有两个第一个功能是在CPU的控制下产生数字正弦信 号，该信号经D/A转换器转换成模拟信号，并经功率放大电路放大后驱动换能器El。第二个 功能是完成超声波回波信号的采样，并把数据存在构造于FPGA内部的存储区内。超声波换能器El发射一定数量的周期性正弦超声波信号，该信号在介质中传播 到达换能器E2后，激励换能器E2产生超声波回波信号，回波信号的幅值随着换能器接收到 的超声波信号的连续激励而逐渐增大，当激励信号停止时，换能器的机械振动在惯性的作 用下仍然会持续并逐渐衰减，回波信号的幅值也逐渐减小，因此超声波回波信号是一个变 幅周期性信号，其周期对应于超声波信号的周期。回波信号幅值最大的那个周期对应于换 能器El最后发出的那个超声波信号的周期。超声波的传播时间就是换能器El发出的超声波信号上的任意一点与换能器E2接 收到的回波信号上相对应的那一点之间的时间间隔。超声波传输时间测量的关键是确定传 播时间的起点和终点。传播时间的起点可以是换能器El发出的超声波信号上特定所对应 的时刻，时间的终点是回波信号上与超声波信号特征点相对应的那一点所对应的时刻。回波信号是一个变幅值周期性信号，其波形中最有特征的波是幅值最大的那个 波，可以称之为特征波，特征波对应于超声波信号的最后一个波。在特征波中，最有特征的 点是过零点和峰值点，可以选择过零点作为回波信号的特征点。特征点对应的时刻就是传 播时间的终点，与之相对应，超声波信号波形中最后那个波的过零点所对应的时刻可以确 定为传播时间的起点。由于超声波信号是FPGA在CPU的控制下产生的，传播时间的起点，也就是超声波 信号最后那个波的过零点对应的时刻很容易由CPU精确确定，其精度取决于FPGA的运行频率。传播时间的终点，也就是回波信号特征波中过零点所对应的时刻通过细分插补算 法来确定。细分插补算法根据FPGA中存储的超声波回波的A/D采样信号首先确定回波信号 中峰值幅值最大的那个周期内的波形；然后确定过零点前后两个采样点(一个比零大，一 个比零小)所对应的时刻；最后以过零点前后两个采样点为基准，用拟合的方法对采样点 进行细分插补，确定回波信号过零点所对应的时刻，即超声波传播时间终点所对应的时刻， 其精度主要取决于A/D采样的分辨率。本专利技术提出的高精度超声波温度测量方法如下超声波换能器El与超声波换能 器E2相对安装在管体两端，中央处理单元CPU控制现场可编程门阵列FPGA输出正弦波驱 动信号，让信号依次通过D/A转换电路和功率放大电路输入至所述超声波换能器E1，该超 声波换能器El将所述该输入信号转换成机械振动产生超声波信号。所述超声波换能器E2接收所述超声波换能器El发出的超声波信号，并输出超声 波回波信号，由滤波电路对超声波换能器E2发出的超声波回波信号进行滤波，再由放大电 路进行放大后，由A/D转换电路对回波信号进行采样，采样数据先存储在构造于FPGA内的 存储区内。采样完成后，中央处理单元CPU首先根据FPGA发射超声波的数据确定超声波传播 时间起点所对应的时刻，然后从FPGA内读取超声波回波信号的A/D采样数据，采用通过细 分插补算法精确计算出超声波传播时间终点所对应的时刻，进而精确确定超声波在两个换能器E1、E2之间的传输时间。最后CPU根据超声波在超声波温度传感器管体中两个换能器 E1、E2之间的不同传输时间，结合在不同温度下和不同介质中超声波的传输速度，精确计算 得到温度传感器的温度。由此，本专利技术提出的高精度超声波温度计包括超声波换能器E1、超声波换能器 E2、D/A转换电路、功率放大电路、信号放大电路、滤波电路、A/D转换电路、现场可编程门阵 列FPGA和中央处理单元CPU ； 所述超声波换能器El与超声波换能器E2相对安装在管体两端，两个换能器之间 存在可以传播超声波的介质。所述中央处理单元CPU连接现场可编程门阵列FPGA，控制现场可编程门阵列FPGA 输出正弦波驱动信号，现场可编程门阵列FPGA的一路输出连接D/A转换电路，由D/A转换 电路对所述正弦波驱动信号进行转换，D/A转换电路再连接功率放大电路，对信号进行放 大，功率放大电路与超声波换能器El连接，将信号输入至所述超声波换能器E1，该超声波 换能器El将所述该输入信号转换成机械振动产生超声波信号；所述超声波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用超声波技术精密测量温度的方法，其特征在于：所述方法是将超声波换能器Ｅ１与超声波换能器Ｅ２相对安装在一个充满超声介质的密闭耐压管体的管内两端构成一个超声波温度传感器，用中央处理单元ＣＰＵ控制现场可编程门阵列ＦＰＧＡ输出正弦波驱动信号，让信号依次通过Ｄ／Ａ转换电路和功率放大电路输入至所述超声波换能器Ｅ１，由所述超声波换能器Ｅ１将所述输入信号转换成机械振动产生超声波信号；所述超声波换能器Ｅ２接收所述超声波换能器Ｅ１发出的超声波信号，并输出超声波回波信号，由滤波电路对超声波换能器Ｅ２发出的超声波回波信号进行滤波，再由放大电路进行放大后，由Ａ／Ｄ转换电路对回波信号进行采样，采样数据先存储在构造于ＦＰＧＡ内的存储区内；采样完成后，中央处理单元ＣＰＵ首先根据ＦＰＧＡ发射超声波的数据确定超声波传播时间起点所对应的时刻，然后从ＦＰＧＡ内读取超声波回波信号的Ａ／Ｄ采样数据，通过细分插补算法精确计算出超声波传播时间终点所对应的时刻，进而精确确定超声波在两个换能器Ｅ１、Ｅ２之间的传输时间；然后ＣＰＵ根据超声波在超声波温度传感器管体中两个超声波换能器Ｅ１和Ｅ２之间的不同传输时间，结合在不同温度下和不同介质中超声波的传输速度，精确计算得到温度传感器的温度。所述声波传播时间起点所对应的时刻取ＦＰＧＡ发射超声波信号最后那个波的过零点对应的时刻；所述计算传播时间的终点的细分插补算法是：根据ＦＰＧＡ中存储的超声波回波的Ａ／Ｄ采样信号，首先确定回波信号中峰值幅值最大的那个周期内的波形；然后确定过零点前后两个采样点所对应的时刻；最后以过零点前后两个采样点为基准，用拟合的方法对采样点进行细分，确定回波信号过零点所对应的时刻，即超声波传播时间终点所对应的时刻。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴红，冯济琴，陈锡侯，王先全，杨继森，万文略，高忠华，刘小康，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]