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基于超聲波技術(shù)的溫度傳感器設(shè)計(jì)隨著超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用，溫度測量具有速度快、精度高、測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。利用超聲波在介質(zhì)中傳播速度隨溫度變化的特點(diǎn)，采用帶有NIOS軟核的FPGA作為硬件電路控制核心，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采用軟件細(xì)分插值算法實(shí)現(xiàn)超聲波傳播時(shí)間的精確測量。經(jīng)過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的超聲溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高分辨率的溫度測量，傳播時(shí)間達(dá)到ns級，分辨率優(yōu)于0.001℃。 0 引言 溫度是一種基本的物理現(xiàn)象，是生產(chǎn)過程中最常見、最重要的工藝參數(shù)。溫度傳感器是現(xiàn)代測試和工業(yè)過程控制中最常用的傳感器之一。目前，主要的溫度傳感器，如熱電偶、熱電阻和輻射溫度計(jì)等技術(shù)已經(jīng)成熟，并且各有各的優(yōu)點(diǎn)。例如，熱電偶具有最寬的可測量溫度范圍，熱電阻具有最佳的測量線性度，熱敏電阻具有最高的測量精度。但它們不符合許多領(lǐng)域的要求，尤其是高科技領(lǐng)域。因此，各國專家正在開發(fā)各種新型溫度傳感器和特殊實(shí)用的測量技術(shù)。 超聲波具有±3 000℃以上的高低溫傳播特性，理論上超聲波測溫不受溫度限制;在許多固體和液體中，聲速隨溫度變化，固體中的聲速變化率在高溫時(shí)最大，氣體中的聲速變化率在低溫時(shí)最大;超聲波頻率很高，可以有效避免測量中的混頻噪聲，使測量精度明顯提高，并且超聲波的方向性好，可以最大限度地減少聲波的干擾和反射，滿足精確測量的要求。因此，有必要利用超聲技術(shù)研究高精度的超聲溫度傳感器。 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而發(fā)展起來的一種傳感器。超聲波是指在電壓激勵(lì)下，能量交換芯片振動(dòng)產(chǎn)生的頻率高于20kkh z的機(jī)械波。它具有頻率高、波長短、衍射現(xiàn)象小、指向性好等特點(diǎn)，可以成為射線和定向傳播。它可以最大限度地減少聲波的干擾和反射，滿足精確測量的要求。 超聲波溫度傳感器以介質(zhì)本身為敏感元件。在測量溫度時(shí)，可以通過測量超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度來間接測量被測介質(zhì)的溫度。 超聲波在理想氣體中的傳播可以認(rèn)為是絕熱過程，其傳播速度V為
由速度與傳播時(shí)間的關(guān)系( = d／T) 可得：
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= cD／c ；M 為分子質(zhì)量；d 為超聲波傳播距離； 為超聲波傳播時(shí)間；p為氣體分子密度 為氣體壓強(qiáng) ；Q 為絕對溫度。 對于空氣來說 ，影響聲速的最主要敏感因素是溫度， 且兩者關(guān)系如下：
波信號通過固定時(shí)間激勵(lì)超聲能量轉(zhuǎn)換器發(fā)出，并及時(shí)采集接收到的信號，然后通過采集到的數(shù)據(jù)分析超聲波的傳播時(shí)間，從而得到超聲波的傳播速度。通過更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量。 2.2超聲波溫度傳感器硬件電路設(shè)計(jì) 傳感器硬件電路的設(shè)計(jì)在超聲波溫度傳感器的設(shè)計(jì)中起著重要的作用。設(shè)計(jì)的合理性直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而電路的性能是超聲波溫度傳感器實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度的最根本保證。 2. 2. 1 .信號處理電路設(shè)計(jì) 高精度超聲波溫度傳感器的信號處理電路基于FPGA的硬件設(shè)計(jì)，如圖2所示，包括能量轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和FPGA控制電路。還有高速數(shù)據(jù)采集控制、正弦信號發(fā)生器、通道切換控制邏輯、IO S處理器和人機(jī)交互電路。 2.2.2驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì) 超聲波信號必須達(dá)到一定的幅度和頻率才能產(chǎn)生所需的超聲波信號，超聲波換能器將采集到的信號有效地轉(zhuǎn)換成電信號，由于信號在傳播過程中會(huì)衰減，需要進(jìn)一步濾波和放大，使信號滿足測量的需要。同時(shí)，為了研制測量范圍更廣、精度更高的超聲波溫度傳感器，換能器可以隨時(shí)改變，超聲波的傳播頻率也可以調(diào)節(jié)，因此設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)的超聲波驅(qū)動(dòng)電路來滿足測量需要。圖3是驅(qū)動(dòng)電源框的圖片。 2.2.3 FPG A和A/D轉(zhuǎn)換電路選型 由于超聲波在介質(zhì)中的傳播速度快，傳播時(shí)間很短，這就對超聲波信號處理電路中的數(shù)據(jù)采集提出了很高的要求，并且要保證時(shí)間測量的精度達(dá)到ns級，甚至高于ns級。超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是超聲波溫度傳感器設(shè)計(jì)的核心部分，因此需要選擇所需的FPGA芯片和A/D轉(zhuǎn)換電路來構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以達(dá)到高速、高分辨率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的目的。 FPGA采用cyclone系列EP2C5T 14418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個(gè)608個(gè)可編程邏輯單元，最高輸出速率可達(dá)622 M bit/s, I/O端口豐富，這對于未來超聲波溫度傳感器功能的擴(kuò)展非常方便。并且不需要改變硬件電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一些需要工作。 在設(shè)計(jì)中要特別注意A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字輸出要與模擬輸入隔離良好，放大電路與A/D轉(zhuǎn)換電路相鄰引腳間距要在2m m以內(nèi)。A/D采用12位雙通道，管道式接線，低功耗，ADC12DL080器件，采樣頻率80 m Ps_oJ。電路原理圖如圖4所示。 3 超聲波溫度傳感器的軟件算法設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)將對系統(tǒng)進(jìn)行編程，完成采集數(shù)據(jù)的分析和處理。其核心部分是超聲波傳播時(shí)間的精確測量算法。 3.1. 傳播時(shí)間的精確測量算法 超聲波傳播時(shí)間的測量精度直接影響溫度的測量精度，因此超聲波傳播時(shí)間的精確測量算法是超聲波測溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心部分。超聲波傳播時(shí)間的精確測量是測量超聲波換能器從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。由于該信號是由基于dds原理的正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生的，dds的相位累加器為22位，對于1m hz . 84 ps的超聲波信號，信號分辨率高達(dá)23，因此可以清楚地確定起始時(shí)間點(diǎn)。然而，回波信號的波形是通過40 M hz的A/D轉(zhuǎn)換器采集的，采集數(shù)據(jù)之間存在較大的時(shí)間間隔，因此采集點(diǎn)的測量無法達(dá)到高精度。因此，有必要對波形進(jìn)行細(xì)分，以實(shí)現(xiàn)高精度的傳播時(shí)間測量。
圖4 adc12dl080電路原理圖 3.2軟件細(xì)分插值算法 傳播時(shí)間的精確測量取決于傳播終點(diǎn)的精確。采用軟細(xì)分插值技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間細(xì)分，測量到的傳播時(shí)間分辨率可達(dá)ns級。圖5顯示了軟件細(xì)分的示意圖。
圖 5 軟 細(xì) 分 原 理 圖 首先， 通過逐點(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， 通過查找比較的算法 ，確定超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的過零點(diǎn) 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)算出過零點(diǎn) P n 所對應(yīng)的時(shí)刻 。
在過零點(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：
則可計(jì)算過零點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻 ，從而計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng) 的時(shí)刻 ：
通過理論分析和實(shí)驗(yàn) 的證 明， 使用該方 法測得超 聲波傳 播時(shí) 間的分辨率能夠達(dá) 到 0． 122 ns， 測量的重復(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量，文中將速度的測量轉(zhuǎn)換為超聲波在固定距離上的傳播時(shí)間的測量，根據(jù)分析，理論上測量的傳播時(shí)間可以達(dá)到 as 級。 通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證實(shí)際數(shù)據(jù)是否滿足 ns 級超聲波傳播時(shí)間的測量。 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 -t-O. 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1ns ， 雖然 沒能 達(dá) 到理論分辨率的0.122 ns， 但誤差仍然在 ns 級別 ，滿足傳感器設(shè)計(jì)的預(yù)期條件。 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)際測量中檢測到環(huán)境中超聲波的傳播 時(shí)間 ，便對應(yīng)著1個(gè)環(huán)境溫度 。
圖 6 傳播 時(shí)間描點(diǎn)圖
圖 7 溫 度與傳 播時(shí)間的關(guān)系圖 5 結(jié)論 參考文獻(xiàn) ： [1] 呂方瑤 ，張池軍 ，閏勇 ，等 ．一類高精度溫度測量技 術(shù)研究． 電子測量技術(shù) ，20 11，34 (8 ) ：88 —9O ． [2] 朱曉旭 ，周修文． 溫度傳感 器． 電子測量技術(shù) ，2013 ，3 (5 ) ：44 - 45 ． [3] 張興紅 ，蔡偉 ， 向鳳 云 ，等 ．精 密超聲波溫度測量 儀設(shè)計(jì)． 儀表技 術(shù)與傳 感器 ，20 11(6 ) ：3 1 —33． [4] 蔡偉 ，劉淑香 ，向風(fēng) 云 ， 等． 基于 FPG A 的高精度 超聲波 溫度計(jì) 設(shè)計(jì)． 電子技術(shù)應(yīng)用 ，20 11，37 (8) ：10 —12． [5] 林立軍 ． FPG A 在超 聲氣 體 溫度 測量 中 的應(yīng)用 ． 傳 感技 術(shù)學(xué) 報(bào) ，2005 ，1 8 (2 ) ：347 —34 9． [6] 張興紅 ，張慧 ，王先全 ， 等． 基 于 A R M 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 ，20 10 (11) ：18 —26． [7] 阮建富． 一種測量 超聲波傳播 時(shí) 間的裝置 ． 自動(dòng)化 儀表 ，200 6 ，27(3 ) ：35 —38． [8] LIN S F ，Z H A N G H J． A new m eth od for nondestructively m easuring pressure based 0n th e ra yle igh w ave ． P roce ed in g s of th e 2 1 th IE E E In stru m en ta tion an d M e asu re m e nt T ec h n olog y C on fe re n ce ． C om o ： th e IE E E ln stm m e m etation an d M ea su rem en t S oc iety ，2 0 0 4 ： 2 3 3 2 —2 3 3 6 ． [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 ) ：9 1 —95． 班寧產(chǎn)品匯總 |
