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基于超声波技术的温度传感器设计随着超声波检测技术的应用，温度测量具有速度快、精度高、测量范围大等优点。利用超声波在介质中传播速度随温度变化的特点，采用带有NIOS软核的FPGA作为硬件电路控制核心，实现高速实时数据采集，采用软件细分插值算法实现超声波传播时间的精确测量。经过理论推导和实验，所设计的超声温度传感器能够实现高精度、高分辨率的温度测量，传播时间达到ns级，分辨率优于0.001℃。 0 引言 温度是一种基本的物理现象，是生产过程中最常见、最重要的工艺参数。温度传感器是现代测试和工业过程控制中最常用的传感器之一。目前，主要的温度传感器，如热电偶、热电阻和辐射温度计等技术已经成熟，并且各有各的优点。例如，热电偶具有最宽的可测量温度范围，热电阻具有最佳的测量线性度，热敏电阻具有最高的测量精度。但它们不符合许多领域的要求，尤其是高科技领域。因此，各国专家正在开发各种新型温度传感器和特殊实用的测量技术。 超声波具有±3 000℃以上的高低温传播特性，理论上超声波测温不受温度限制;在许多固体和液体中，声速随温度变化，固体中的声速变化率在高温时最大，气体中的声速变化率在低温时最大;超声波频率很高，可以有效避免测量中的混频噪声，使测量精度明显提高，并且超声波的方向性好，可以最大限度地减少声波的干扰和反射，满足精确测量的要求。因此，有必要利用超声技术研究高精度的超声温度传感器。 1 超声波温度传感器原理 超声波温度传感器是利用超声波的特性而发展起来的一种传感器。超声波是指在电压激励下，能量交换芯片振动产生的频率高于20kkh z的机械波。它具有频率高、波长短、衍射现象小、指向性好等特点，可以成为射线和定向传播。它可以最大限度地减少声波的干扰和反射，满足精确测量的要求。 超声波温度传感器以介质本身为敏感元件。在测量温度时，可以通过测量超声波在被测介质中的传播速度来间接测量被测介质的温度。 超声波在理想气体中的传播可以认为是绝热过程，其传播速度V为
由速度与传播时间的关系( = d／T) 可得：
式中：R 为气体常数；r 为定压比热容和定容比热容之比， r= cD／c ；M 为分子质量；d 为超声波传播距离； 为超声波传播时间；p为气体分子密度 为气体压强 ；Q 为绝对温度。 对于空气来说 ，影响声速的最主要敏感因素是温度， 且两者关系如下：
波信号通过固定时间激励超声能量转换器发出，并及时采集接收到的信号，然后通过采集到的数据分析超声波的传播时间，从而得到超声波的传播速度。通过更换超声波温度传感器内部的介质，可以实现不同精度和量程的测量。 2.2超声波温度传感器硬件电路设计 传感器硬件电路的设计在超声波温度传感器的设计中起着重要的作用。设计的合理性直接影响到系统运行的可靠性，而电路的性能是超声波温度传感器实现高分辨率、高精度的最根本保证。 2. 2. 1 .信号处理电路设计 高精度超声波温度传感器的信号处理电路基于FPGA的硬件设计，如图2所示，包括能量转换器的驱动电路、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、D/A转换电路和FPGA控制电路。还有高速数据采集控制、正弦信号发生器、通道切换控制逻辑、IO S处理器和人机交互电路。 2.2.2驱动电源设计 超声波信号必须达到一定的幅度和频率才能产生所需的超声波信号，超声波换能器将采集到的信号有效地转换成电信号，由于信号在传播过程中会衰减，需要进一步滤波和放大，使信号满足测量的需要。同时，为了研制测量范围更广、精度更高的超声波温度传感器，换能器可以随时改变，超声波的传播频率也可以调节，因此设计了可调节的超声波驱动电路来满足测量需要。图3是驱动电源框的图片。 2.2.3 FPG A和A/D转换电路选型 由于超声波在介质中的传播速度快，传播时间很短，这就对超声波信号处理电路中的数据采集提出了很高的要求，并且要保证时间测量的精度达到ns级，甚至高于ns级。超声波数据采集系统的设计是超声波温度传感器设计的核心部分，因此需要选择所需的FPGA芯片和A/D转换电路来构建数据采集系统，以达到高速、高分辨率实时数据采集的目的。 FPGA采用cyclone系列EP2C5T 14418器件。其内部包括2个锁相环，8个全局时钟网络，4个608个可编程逻辑单元，最高输出速率可达622 M bit/s, I/O端口丰富，这对于未来超声波温度传感器功能的扩展非常方便。并且不需要改变硬件电路来实现系统的一些需要工作。 在设计中要特别注意A/D转换电路的数字输出要与模拟输入隔离良好，放大电路与A/D转换电路相邻引脚间距要在2m m以内。A/D采用12位双通道，管道式接线，低功耗，ADC12DL080器件，采样频率80 m Ps_oJ。电路原理图如图4所示。 3 超声波温度传感器的软件算法设计 软件设计将对系统进行编程，完成采集数据的分析和处理。其核心部分是超声波传播时间的精确测量算法。 3.1. 传播时间的精确测量算法 超声波传播时间的测量精度直接影响温度的测量精度，因此超声波传播时间的精确测量算法是超声波测温系统软件设计的核心部分。超声波传播时间的精确测量是测量超声波换能器从发射到接收所用的时间。由于该信号是由基于dds原理的正弦波信号发生器产生的，dds的相位累加器为22位，对于1m hz . 84 ps的超声波信号，信号分辨率高达23，因此可以清楚地确定起始时间点。然而，回波信号的波形是通过40 M hz的A/D转换器采集的，采集数据之间存在较大的时间间隔，因此采集点的测量无法达到高精度。因此，有必要对波形进行细分，以实现高精度的传播时间测量。
图4 adc12dl080电路原理图 3.2软件细分插值算法 传播时间的精确测量取决于传播终点的精确。采用软细分插值技术实现时间细分，测量到的传播时间分辨率可达ns级。图5显示了软件细分的示意图。
图 5 软 细 分 原 理 图 首先， 通过逐点比较 A／D 采样点，找出采样点的最大值 ，确定幅值最大的特征值波形 ；其次， 通过查找比较的算法 ，确定超声波传输时间终点所对应的过零点 的前一个采样点 P 和后一 个采样点 P + 1 ，显然在特征波内采样点 P 的采样值大于零 ，采样点 P + 1 的采样值小于零； 最后， 以采样点 P 和 P + 1 对应的时刻作为基准， 用细分插补算法准确计算出过零点 P n 所对应的时刻 。
在过零点附近较小的区域内，正弦波的波形接近于直线 ，可以根据直线插补的方法确定T2：
则可计算过零点所对应的时刻 ，从而计算超声波传输时间终点所对应 的时刻 ：
通过理论分析和实验 的证 明， 使用该方 法测得超 声波传 播时 间的分辨率能够达 到 0． 122 ns， 测量的重复性在 1 nS 之内。 4 实验研究 4 .1 分辨率实验研究 超声波温度传感器精度高低完全取决于超声波传播速度的测量，文中将速度的测量转换为超声波在固定距离上的传播时间的测量，根据分析，理论上测量的传播时间可以达到 as 级。 通过实验来验证实际数据是否满足 ns 级超声波传播时间的测量。 假设在这段时间内温度稳定为 25 ℃ ，则超声波传播的标准传播时间可取其均值225 403． 09 ns，从图6 中可以看出，大部分传播时间与标准值的差都在 -t-O. 5 ns 之内， 只有少数数据的误差大于这个值 ， 且其中最大误差约为1ns ， 虽然 没能 达 到理论分辨率的0.122 ns， 但误差仍然在 ns 级别 ，满足传感器设计的预期条件。 4.2 时间与温度的关系实验分析 超声波传播介质温度与超声波传播时间的关系曲线如图7所示， 曲线上的点取值为对相同温度下取 6 个传播时间数据的平均值，从图7 中可以看到，超声波传播时间是 随环境温度的增加而相应地缩短 ，只要在实际测量中检测到环境中超声波的传播 时间 ，便对应着1个环境温度 。
图 6 传播 时间描点图
图 7 温 度与传 播时间的关系图 5 结论 参考文献 ： [1] 吕方瑶 ，张池军 ，闰勇 ，等 ．一类高精度温度测量技 术研究． 电子测量技术 ，20 11，34 (8 ) ：88 —9O ． [2] 朱晓旭 ，周修文． 温度传感 器． 电子测量技术 ，2013 ，3 (5 ) ：44 - 45 ． [3] 张兴红 ，蔡伟 ， 向凤 云 ，等 ．精 密超声波温度测量 仪设计． 仪表技 术与传 感器 ，20 11(6 ) ：3 1 —33． [4] 蔡伟 ，刘淑香 ，向风 云 ， 等． 基于 FPG A 的高精度 超声波 温度计 设计． 电子技术应用 ，20 11，37 (8) ：10 —12． [5] 林立军 ． FPG A 在超 声气 体 温度 测量 中 的应用 ． 传 感技 术学 报 ，2005 ，1 8 (2 ) ：347 —34 9． [6] 张兴红 ，张慧 ，王先全 ， 等． 基 于 A R M 的超 声波 流量计 A ／D 转换电路设计． 自动化与仪表 ，20 10 (11) ：18 —26． [7] 阮建富． 一种测量 超声波传播 时 间的装置 ． 自动化 仪表 ，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] 彭东林 ，熊强强 ，刘小康，等．基于超声电机技术的新型时栅传感器原理分析．重庆理工大学学报( 自然科学版) ，2010 (7 ) ：9 1 —95． 班宁产品汇总 |
