專利名稱：一種高靈敏度超聲波溫度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于精密傳感器和檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用超聲波技術(shù)精密測 量溫度的溫度計。
背景技術(shù)：
超聲波的顯著特征是頻率高，因而波長短，繞射現(xiàn)象小，方向性好，能夠定向傳播， 傳播時遇到雜質(zhì)或分界面就會有顯著的反射。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)越來越多 的應(yīng)用于溫度等的精密測量。超聲波在介質(zhì)中傳播時，傳播速度隨溫度、壓強等狀態(tài)參量的變化而變化。超聲波 在氣體中傳播時傳播速度每秒約數(shù)百米，隨溫度升高而增大，0°c時空氣中音速為331. 4米 /秒，15°C時為340米/秒，溫度每升高1°C，音速約增加0. 6米/秒。測得傳輸距離不變時 超聲波在不同溫度下的傳播時間，就可以測得溫度。例如，20°C時超聲波的速度是344米 /秒，21°C時超聲波的速度是344. 6米/秒，如果超聲波的傳輸距離是0. 3米，則在20°C時 超聲波的傳輸時間是8. 7209 X 10_4秒，在21°C時超聲波的傳輸時間是8. 7057 X 10_4秒，在 21°C時和20°C時超聲波的傳輸時間差為1. 52X 10_6秒。要保證測量達到0. 001°C的測量分 辨率，要求超聲波傳輸時間測量的分辨率要達到1 2納秒才能實現(xiàn)。如果用常規(guī)的定時 計數(shù)電路測量超聲波的傳輸時間，則時鐘電路的頻率至少要達到1G，這對于儀器開發(fā)來講 顯然很難實現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對上述問題，公開了一種測量分辨率可達O.OOrC的高靈敏度超聲 波溫度測計，其采用了超聲波溫度傳感器、FPGA電路和軟件細分插補算法，可以在保證測量 實時性的前提下實現(xiàn)納秒級超聲波傳輸時間的測量，從而實現(xiàn)高精度溫度測量。本實用新型采用的技術(shù)方案是一種高靈敏度超聲波溫度計，用于實現(xiàn)測量分辨率優(yōu)于0. OOrC的精密溫度測量。 由此，本實用新型提出的高精度超聲波溫度計包括超聲波換能器El、超聲波換能器E2、D/A 轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、信號放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 和中央處理單元CPU ；所述超聲波溫度傳感器是由超聲波換能器E1、超聲波換能器E2和一管體構(gòu)成，所 述超聲波換能器El與超聲波換能器E2相對安裝在管體內(nèi)的兩端，管體密閉耐壓，其中充滿 作為超聲波介質(zhì)的氣體。所述中央處理單元CPU連接現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 輸出正弦波驅(qū)動信號，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉(zhuǎn)換電路，由D/A轉(zhuǎn)換 電路對所述正弦波驅(qū)動信號進行轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換電路再連接功率放大電路，對信號進行放 大，功率放大電路與超聲波換能器El連接，將信號輸入至所述超聲波換能器E1，該超聲波 換能器El將所述該輸入信號轉(zhuǎn)換成機械振動產(chǎn)生超聲波信號；[0009]所述超聲波換能器E2接收所述超聲波換能器El發(fā)出的超聲波信號，把機械振動 轉(zhuǎn)換為電信號，輸出超聲波回波信號，并通過與其依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn) 換電路，使所述超聲波回波信號依次經(jīng)放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸入至現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA ；D/A轉(zhuǎn)換器用于把FPGA發(fā)出的數(shù)字正弦信號轉(zhuǎn)換為模擬正弦信號，功率放大電路用 于放大該正弦信號的功率，使之有足夠的能量驅(qū)動超聲波換能器El。所述A/D轉(zhuǎn)換器主要 用于把超聲波回波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸入FPGA。所述現(xiàn)場可編程門陣列FPGA同時采樣輸出的正弦波驅(qū)動信號和輸入的超聲波回 波信號，并將采樣數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中；所述FPGA電路主要功能有兩個第一個功能是在CPU 的控制下產(chǎn)生數(shù)字正弦信號，該信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，并經(jīng)功率放大電路放 大后驅(qū)動換能器E1。第二個功能是完成超聲波回波信號的采樣，并把數(shù)據(jù)存在構(gòu)造于FPGA 內(nèi)部的存儲區(qū)內(nèi)。所述中央處理單元CPU從現(xiàn)場可編程門陣列FPGA內(nèi)存中讀取采樣數(shù)據(jù)，通過細分 插補算法精確計算出超聲波傳播時間終點所對應(yīng)的時刻；然后，根據(jù)輸出的正弦波驅(qū)動信 號確定超聲波傳播時間起點所對應(yīng)的時刻。從而精確確定超聲波在兩個換能器E1、E2之間 的傳輸時間。最后CPU根據(jù)超聲波在超聲波溫度傳感器管體中兩個換能器E1、E2之間的不 同傳輸時間精確計算出其對應(yīng)的溫度。所述換能器El是壓電式傳感器，可以把具有一定能量的電信號轉(zhuǎn)換為機械振動， 當信號的頻率在超聲波的頻率范圍內(nèi)時，換能器El把電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號。換能器 E2也是壓電式傳感器，把機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，當超聲波信號作用到超聲波換能器E2上 時，它把超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，該信號可以稱之為超聲波回波信號。超聲波換能器El發(fā)射一定數(shù)量的周期性正弦超聲波信號，該信號在氣體中傳播 到達換能器E2后，激勵換能器E2產(chǎn)生超聲波回波信號，回波信號的幅值隨著換能器接收到 的超聲波信號的連續(xù)激勵而逐漸增大，當激勵信號停止時，換能器的機械振動在慣性的作 用下仍然會持續(xù)并逐漸衰減，回波信號的幅值也逐漸減小，因此超聲波回波信號是一個變 幅周期性信號，其周期對應(yīng)于超聲波信號的周期?；夭ㄐ盘柗底畲蟮哪莻€周期對應(yīng)于換 能器El最后發(fā)出的那個超聲波信號的周期。超聲波的傳播時間就是換能器El發(fā)出的超聲波信號上的任意一點與換能器E2接 收到的回波信號上相對應(yīng)的那一點之間的時間間隔。超聲波傳輸時間測量的關(guān)鍵是確定傳 播時間的起點和終點。傳播時間的起點可以是換能器El發(fā)出的超聲波信號上特定所對應(yīng) 的時刻，時間的終點是回波信號上與超聲波信號特征點相對應(yīng)的那一點所對應(yīng)的時刻。回波信號是一個變幅值周期性信號，其波形中最有特征的波是幅值最大的那個 波，可以稱之為特征波，特征波對應(yīng)于超聲波信號的最后一個波。在特征波中，最有特征的 點是過零點和峰值點，可以選擇過零點作為回波信號的特征點。特征點對應(yīng)的時刻就是傳 播時間的終點，與之相對應(yīng)，超聲波信號波形中最后那個波的過零點所對應(yīng)的時刻可以確 定為傳播時間的起點。由于超聲波信號是FPGA在CPU的控制下產(chǎn)生的，傳播時間的起點，也就是超聲波 信號最后那個波的過零點對應(yīng)的時刻很容易由CPU精確確定，其精度取決于FPGA的運行頻率。傳播時間的終點，也就是回波信號特征波中過零點所對應(yīng)的時刻通過細分插補算法來確定。細分插補算法根據(jù)FPGA中存儲的超聲波回波的A/D采樣信號首先確定回波信號 中峰值幅值最大的那個周期內(nèi)的波形；然后確定過零點前后兩個采樣點(一個比零大，一 個比零小)所對應(yīng)的時刻；最后以過零點前后兩個采樣點為基準，用擬合的方法對采樣點 進行細分插補，確定回波信號過零點所對應(yīng)的時刻，即超聲波傳播時間終點所對應(yīng)的時刻， 其精度主要取決于A/D采樣的分辨率。本實用新型提出的高精度超聲波溫度計的工作原理如下超聲波換能器El與超 聲波換能器E2相對安裝在管體兩端，中央處理單元CPU控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸出 正弦波驅(qū)動信號，讓信號依次通過D/A轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路輸入至所述超聲波換能器 El，該超聲波換能器El將所述該輸入信號轉(zhuǎn)換成機械振動產(chǎn)生超聲波信號。所述超聲波換能器E2接收所述超聲波換能器El發(fā)出的超聲波信號，并輸出超聲 波回波信號，由濾波電路對超聲波換能器E2發(fā)出的超聲波回波信號進行濾波，再由放大電 路進行放大后，由A/D轉(zhuǎn)換電路對回波信號進行采樣，采樣數(shù)據(jù)先存儲在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的 存儲區(qū)內(nèi)。采樣完成后，中央處理單元CPU首先根據(jù)FPGA發(fā)射超聲波的數(shù)據(jù)確定超聲波傳播 時間起點所對應(yīng)的時刻，然后從FPGA內(nèi)讀取超聲波回波信號的A/D采樣數(shù)據(jù)，采用通過細 分插補算法精確計算出超聲波傳播時間終點所對應(yīng)的時刻，進而精確確定超聲波在兩個換 能器E1、E2之間的傳輸時間。然后CPU根據(jù)超聲波在超聲波溫度傳感器管體中兩個換能器 E1、E2之間的不同傳輸時間精確計算出其對應(yīng)的溫度。本實用新型由于采用了基于FPGA的硬件電路和軟件細分算法，可以實現(xiàn)納秒級 精度的超聲波傳輸時間的測量，從而實現(xiàn)分辨率優(yōu)于0. oorc的高精度溫度測量，并保證很 好的實時性。本實用新型可廣泛的用于精密溫度測量和控制等領(lǐng)域。

圖1是一種高靈敏度超聲波溫度計結(jié)構(gòu)框圖；圖2是加在換能器El上的驅(qū)動信號示意圖；圖3是換能器E2上接受到的超聲波回波信號示意圖；圖4是一種精密測量超聲波傳輸時間方法的硬件工作原理示意圖；圖5a_5b是確定超聲波傳播時間終點所對應(yīng)時刻的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合說明書附圖對本實用新型的技術(shù)方案作進一步詳細說明。參見圖1，本溫度計主要由管體10、超聲波換能器E111、換能器E212，中央處理單 元CPU19，現(xiàn)場可編程門列陣FPGE118，A/D轉(zhuǎn)換電路17，濾波電路16，放大電路15，功率放 大電路14、D/A轉(zhuǎn)換電路13、顯示電路20、鍵盤電路21和D/A轉(zhuǎn)換電路22構(gòu)成。管體10、超聲波換能器E111、換能器E212構(gòu)成溫度傳感器，超聲波換能器El與 超聲波換能器E2相對安裝在管體內(nèi)的兩端，管體密閉耐壓，其中充滿作為超聲波介質(zhì)的氣 體。顯示電路20用于顯示CPU計算出的溫度值，鍵盤電路21用于向輸入溫度計的參 數(shù)及操作人員的權(quán)限，D/A轉(zhuǎn)換電路22將溫度值從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電流信號，輸出工程控制中常用的4 20毫安標準電流信號。參見圖2，是超聲波換能器El上的驅(qū)動信號，它是在FPGA中產(chǎn)生的數(shù)字正弦信號 經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號，然后再經(jīng)功率放大電路放大而成，圖中的V代表信號 的電壓，t代表時間。該信號的頻率為1MHz，電壓約10V，電流約1. 5A，具有約15瓦的電能， 足以驅(qū)動超聲波換能器El將電能轉(zhuǎn)換為機械能，發(fā)出超聲波信號。參見圖3，是在換能器E2上輸出的超聲波回波信號，圖中的V代表信號的電壓，t 代表時間。換能器El發(fā)出的超聲波信號經(jīng)過一定的傳播時間后傳播到換能器E2上時，換 能器E2將超聲波信號的機械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出超聲波回波信號。換能器E2輸出的電信 號在超聲波沒有傳播到換能器E2上以前，幅值為零，換能器E2接收到超聲波信號后，輸出 的電信號幅值逐漸增加，然后逐漸減小衰減至零，是一個變幅周期信號，幅值最大的那個波 對應(yīng)于超聲波信號的最后一個波。超聲波回波信號的頻率取決于超聲波信號的頻率，也是 IMHz。參見圖4，CPU 19向FPGA18中的同步電路432發(fā)出開始采樣命令后，F(xiàn)PGA18同時 啟動對超聲波換能器Elll的驅(qū)動和對超聲波換能器E212輸出信號的采樣。構(gòu)建于FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號發(fā)生器431發(fā)送頻率為IMHz的8個周期的正弦信 號，該信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路13轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)功率放大電路14放大后，加載在換 能器Elll上，發(fā)出超聲波信號。換能器E212輸出的電信號經(jīng)過運算放大電路15放大后，經(jīng) 過濾波電路16濾波后連接到A/D轉(zhuǎn)換電路17。FPGA內(nèi)部的采樣電路433控制A/D轉(zhuǎn)換電 路443將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把采樣值逐一存入構(gòu)建于FPGA內(nèi)的RAM存儲區(qū)434 中。采樣完成后，F(xiàn)PGA430向CPU 19發(fā)送采樣結(jié)束狀態(tài)信息，CPU19接收到采樣結(jié)束狀態(tài)信 息后，結(jié)束一次采樣。采樣結(jié)束后，CPU19首先根據(jù)FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號發(fā)生器431的數(shù)據(jù)精確確定 超聲波信號中起點所對應(yīng)的時刻TQD。然后CPU19發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，讀取暫存于RAM存儲區(qū)434中的數(shù)據(jù)，精確計算超聲 波傳播時間終點所對應(yīng)的時刻。超聲波傳輸時間終點所對應(yīng)的時刻是通過對回波信號所有采樣數(shù)據(jù)用細分插補 算法進行分析和計算而實現(xiàn)的。參見圖5a，分析超聲波換能器E2輸出的超聲波回波信號可 知，為保證測量的重復性，應(yīng)該在峰值幅值最大的波形中提取超聲波傳輸時間的終點。在這 個波形的整周期內(nèi)，最明顯的兩個特征點是峰值點和過零點，把過零點確定為回波信號的 時間參考點更容易獲得高精度。參見圖5a，本實用新型的超聲波傳輸時間終點所對應(yīng)的時刻的計算方法是首先逐點比較A/D采樣點，找出采樣點的最大值就可以很容易的確定幅值最大的 波形，可以把這一波形稱之為特征值波形；其次，參加圖5b，確定超聲波傳輸時間終點所對應(yīng)的過零點Ptl前面一個采樣點P和后 面一個采樣點P+1，顯然在特征波內(nèi)采樣點P的采樣值大于零，采樣點P+1的采樣值小于零；最后，以采樣點P和P+1兩點對應(yīng)的時刻作為基準，用細分插補算法可以準確計算 出過零點Ptl所對應(yīng)的時刻，具體計算方法如下設(shè)A/D的采樣頻率為FA/D，相鄰兩個采樣點之間的時間即采樣周期為TA/D ；從第一 個采樣點到采樣點P之間的采樣數(shù)為N，采樣點P對應(yīng)的采樣值為VI，采樣點P所對應(yīng)的時刻為Tl ；采樣點P+1對應(yīng)的采樣值為V2 ；采樣點P所對應(yīng)的時刻為Tl，采樣點P與過零點 Ptl之間的時間為T2，過零點Ptl對應(yīng)的時刻為Tzd，超聲波的傳輸時間為T，則Taid = — -
^ AIDΓ1 二 TVx
^ AID在過零點附近較小的區(qū)域內(nèi)，正弦波的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補的方 法確定T2 Γ2 二 ~-~xV\xT.m
V2-V\AID則過零點所對應(yīng)的時刻，即超聲波傳輸時間終點所對應(yīng)的時刻為ΓΖ 二:Π + Γ2 = TV χ + + ^YI^lV1從上式可知，超聲波傳輸時間終點所對應(yīng)時刻的分辨率為R =——-——X Tl4n
V2-VI ,AD參加圖5b，假設(shè)超聲波回波信號的頻率為1M，則周期為Ius ；A/D的分辨率是12
位，那么可以將信號的幅值分為4096份，設(shè)A/D的采樣頻率為32MHz，則在正弦波正的最大
值到負的最大值的半個周期內(nèi)，可以最多采16個點，如果把正弦波正的最大值到負的最大
值的半個周期內(nèi)的波形看作是直線，則顯然可知 4096V2-V1 = -= 256
16觀察正弦波正的最大值到負的最大值的半個周期內(nèi)的波形可以看出，過零點附近 曲線的斜率遠大于峰值附近曲線的斜率，則V2-V1 > 256
1 1 11R =-xT,.n <-xT,.n =-χ — xlus- 0.122 5
V2-VI /AD 256 'AD 256 32參見圖5，超聲波的傳輸時間為T =Tzd-Tqd^ Nx^-+^1viXTiadXVI-Tqd由于超聲波傳輸時間起點所對應(yīng)的時刻可以精確確定，則超聲波傳輸時間測量的 分辨率取決于超聲波傳輸時間終點所對應(yīng)時刻的分辨率，故超聲波傳輸時間測量的分辨率 小于0. 122納秒。安裝在管體兩端的換能器El和E2之間的距離是固定的，測得超聲波在 不同溫度下在換能器El和E2之間的傳播時間，就可以測得溫度。例如，20°C時超聲波在氣 體中的速度是344米/秒，21°C時的速度是344. 6米/秒，如果換能器El和E2之間的距離 是0. 3米，則在20°C時超聲波的傳輸時間是8. 7209 X 10_4秒，在21°C時超聲波的傳輸時間 是8. 7057 X 10_4秒，在21 °C時和20°C時超聲波的傳輸時間差為1. 52X 10_6秒。如上所述， 超聲波傳輸時間測量的分辨率優(yōu)于ι. οχ ιο_9秒，則可以實現(xiàn)分辨率優(yōu)于ο. oorc的溫度測 量。密閉管體中的氣體在溫度變化時，其壓強也發(fā)生明顯變化，溫度和壓強的變化都會影響 超聲波在氣體中的傳播速度，從而增加了溫度測量的靈敏度。
權(quán)利要求一種高靈敏度超聲波溫度計，其特征在于其包括超聲波溫度傳感器、D/A轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、信號放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和中央處理單元CPU；所述超聲波溫度傳感器是由超聲波換能器E1、超聲波換能器E2和一管體構(gòu)成，所述超聲波換能器E1與超聲波換能器E2相對安裝在管體內(nèi)的兩端，管體密閉耐壓，其中充滿作為超聲波介質(zhì)的氣體；所述中央處理單元CPU連接現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸出正弦波驅(qū)動信號，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉(zhuǎn)換電路，由D/A轉(zhuǎn)換電路對所述正弦波驅(qū)動信號進行轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換電路再連接功率放大電路，對信號進行放大，功率放大電路與超聲波換能器E1連接，將信號輸入至所述超聲波換能器E1，該超聲波換能器E1將所述該輸入信號轉(zhuǎn)換成機械振動產(chǎn)生超聲波信號；所述超聲波換能器E2接收所述超聲波換能器E1發(fā)出的超聲波信號，把機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，輸出超聲波回波信號，并通過與其依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，使所述超聲波回波信號依次經(jīng)放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸入至現(xiàn)場可編程門陣列FPGA；所述現(xiàn)場可編程門陣列FPGA同時采樣輸出的正弦波驅(qū)動信號和輸入的超聲波回波信號，并將采樣數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中；所述中央處理單元CPU從現(xiàn)場可編程門陣列FPGA內(nèi)存中讀取采樣數(shù)據(jù)，通過細分插補算法精確計算出超聲波傳播時間終點所對應(yīng)的時刻；根據(jù)輸出的正弦波驅(qū)動信號確定超聲波傳播時間起點所對應(yīng)的時刻，從而精確確定超聲波在兩個換能器E1、E2之間的傳輸時間，CPU再根據(jù)超聲波在超聲波溫度傳感器管體中兩個換能器E1、E2之間的不同傳輸時間精確計算出其對應(yīng)的溫度。
專利摘要本實用新型涉及一種高靈敏度超聲波溫度計，包括超聲波溫度傳感器、超聲波換能器驅(qū)動電路、超聲波回波信號處理電路。超聲波溫度傳感器包括兩個超聲波換能器和充滿氣體的密閉金屬管體兩部分。超聲波換能器驅(qū)動電路主要包括D/A和功率放大電路。超聲波回波信號處理電路主要由濾波電路、放大電路和A/D、FPGA和CPU組成。超聲波換能器驅(qū)動電路驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波，超聲波回波信號處理電路精密測量超聲波在管體中的傳播時間。超聲波在氣體中的傳播速度隨溫度的變化而變化，測出超聲波在管體中不同溫度下的傳播時間就可以實現(xiàn)溫度的測量。由于采用了高精度超聲波傳輸時間測量電路和算法，所述溫度計可以實現(xiàn)高精度溫度測量，溫度測量的精度取決于超聲波傳播時間的測量精度，測量范圍取決于管體的長度。
文檔編號G01K11/24GK201637504SQ201020177848
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者萬文略, 馮濟琴, 劉小康, 張興紅, 楊繼森, 王先全, 陳錫侯, 高忠華 申請人:重慶理工大學