反射式超聲波溫度計的製作方法

2023-05-14 08:02:16 1

專利名稱：反射式超聲波溫度計的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於精密傳感器和檢測技術領域，具體涉及一種用超聲波技術精密測 量溫度的溫度計。
背景技術：
超聲波的顯著特徵是頻率高，因而波長短，繞射現象小，方向性好，能夠定向傳播， 傳播時遇到雜質或分界面就會有顯著的反射。隨著電子技術的發展，超聲波技術越來越多 的應用於溫度等的精密測量。超聲波在介質中傳播時，傳播速度隨溫度、壓強等狀態參量的變化而變化。例如 超聲波在氣體中傳播時傳播速度每秒約數百米，隨溫度升高而增大，o°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. 7209X 10—4秒，在21°C時超聲波的傳輸時間是8. 7057X IO"4 秒，在21°C時和20°C時超聲波的傳輸時間差為1. 52X10_6秒。要保證測量達到0. 001°C的 測量解析度，要求超聲波傳輸時間測量的解析度要達到1 2納秒才能實現。如果用常規 的定時計數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，這對於儀器開 發來講顯然很難實現。
發明內容本實用新型針對上述問題，公開了一種測量解析度可達O.OOrC的精密溫度測量 方法和儀器，設計了超聲波溫度傳感器、FPGA電路和軟體細分插補算法，可以在保證測量實 時性的前提下實現納秒級超聲波傳輸時間的測量，從而實現常溫下的高精度溫度測量。本實用新型採用的技術方案是一種超聲波溫度計，用於實現測量解析度優於O.OOrC的精密溫度測量。所述溫度 計採用超聲波溫度傳感器、硬體電路及相關算法兩部分。超聲波溫度傳感器包括一個充滿 液體的密閉耐壓金屬管體和安裝在管體一端的一個超聲波換能器。硬體電路主要包括超聲 波換能器驅動電路、超聲波回波信號濾波電路、放大電路、通道切換電路和信號處理電路。 信號處理電路主要有模數轉換器(A/D)、現場可編程門列陣(FPGA)和中央處理單元(CPU) 組成。所述換能器是壓電式傳感器，可以把具有一定能量的電信號轉換為機械振動，當 信號的頻率在超聲波的頻率範圍內時，換能器El把電信號轉換為超聲波信號；換能器也可 以把機械振動轉換為電信號，當超聲波信號作用到超聲波換能器上時，它把超聲波信號轉 換為電信號，該信號可以稱之為超聲波回波信號。所述超聲波換能器驅動電路包括數模轉換器(D/A)和功率放大電路。D/A轉換器 用於把FPGA發出的數字正弦信號轉換為模擬正弦信號，功率放大電路用於放大該正弦信號的功率，使之有足夠的能量驅動超聲波換能器。所述A/D轉換器主要用於把超聲波回波 模擬信號轉換為數位訊號，並輸入FPGA。所述FPGA電路主要功能有兩個第一個功能是在CPU的控制下產生數字正弦信 號，該信號經D/A轉換器轉換成模擬信號，並經功率放大電路放大後驅動換能器El。第二個 功能是完成超聲波回波信號的採樣，並把數據存在構造於FPGA內部的存儲區內。所述通道切換電路在FPGA電路的控制下完成超聲波換能器發射和接受兩種工作 狀態的切換。所述超聲波換能器處於發射狀態時，在FPGA的控制下發射一定數量的周期性正 弦超聲波信號，該信號在管體中的液體中傳播到管體的另一端，在液體和管體的界面上發 生反射。FPGA在換能器完成超聲波發射後，控制通道切換電路將換能器的工作狀態從發射 狀態切換到接受狀態。反射後的超聲波作用到換能器上後，換能器將超聲波信號轉換成電 信號，產生超聲波回波信號，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並逐漸衰 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 於超聲波信號的周期。回波信號幅值最大的那個周期對應於換能器最後發出的那個超聲波 信號的周期。超聲波的傳播時間就是換能器發出的超聲波信號上的任意一點與換能器接收到 的回波信號上相對應的那一點之間的時間間隔。超聲波傳輸時間測量的關鍵是確定傳播時 間的起點和終點。傳播時間的起點可以是換能器發出的超聲波信號上特定所對應的時刻， 時間的終點是回波信號上與超聲波信號特徵點相對應的那一點所對應的時刻。回波信號是一個變幅值周期性信號，其波形中最有特徵的波是幅值最大的那個 波，可以稱之為特徵波，特徵波對應於超聲波信號的最後一個波。在特徵波中，最有特徵的 點是過零點和峰值點，可以選擇過零點作為回波信號的特徵點。特徵點對應的時刻就是傳 播時間的終點，與之相對應，超聲波信號波形中最後那個波的過零點所對應的時刻可以確 定為傳播時間的起點。由於超聲波信號是FPGA在CPU的控制下產生的，傳播時間的起點，也就是超聲波 信號最後那個波的過零點對應的時刻很容易由CPU精確確定，其精度取決於FPGA的運行頻率。傳播時間的終點，也就是回波信號特徵波中過零點所對應的時刻通過細分插補算 法來確定。細分插補算法根據FPGA中存儲的超聲波回波的A/D採樣信號首先確定回波信號 中峰值幅值最大的那個周期內的波形；然後確定過零點前後兩個採樣點(一個比零大，一 個比零小)所對應的時刻；最後以過零點前後兩個採樣點為基準，用擬合的方法對採樣點 進行細分插補，確定回波信號過零點所對應的時刻，即超聲波傳播時間終點所對應的時刻， 其精度主要取決於A/D採樣的解析度。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安裝在充 滿液體的耐壓密閉金屬的一端，中央處理單元CPU控制現場可編程門陣列FPGA輸出正弦波 驅動信號，讓信號依次通過D/A轉換電路和功率放大電路輸入至處於發射狀態的所述超聲 波換能器，該超聲波換能器將所述該輸入信號轉換成機械振動產生超聲波信號。處於接受狀態的所述超聲波換能器接收經管體另一端反射回來的超聲波信號，並輸出超聲波回波信號，由濾波電路對超聲波換能器E2發出的超聲波回波信號進行濾波，再 由放大電路進行放大後，由A/D轉換電路對回波信號進行採樣，採樣數據先存儲在構造於 FPGA內的存儲區內。採樣完成後，中央處理單元CPU首先根據FPGA發射超聲波的數據確定超聲波傳播 時間起點所對應的時刻，然後從FPGA內讀取超聲波回波信號的A/D採樣數據，採用通過細 分插補算法精確計算出超聲波傳播時間終點所對應的時刻，進而精確確定超聲波在管體中 從換能器到管體的另一端，再反射回來到達換能器的傳輸時間。然後CPU根據超聲波在超 聲波溫度傳感器管體中的不同傳輸時間精確計算出其對應的溫度。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、D/A轉換電路、 功率放大電路、信號放大電路、濾波電路、A/D轉換電路、通道切換電路、現場可編程門陣列 FPGA和中央處理單元CPU ；所述超聲波換能器安裝在密閉金屬管體的一端，管體中充滿液體。所述中央處理單元CPU連接現場可編程門陣列FPGA，控制現場可編程門陣列FPGA 輸出正弦波驅動信號，現場可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉換電路，由D/A轉換 電路對所述正弦波驅動信號進行轉換，D/A轉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連接，將信號輸入至所述超聲波換能器，該超聲波換能器 將所述該輸入信號轉換成機械振動產生超聲波信號；所述超聲波換能器處於接受狀態時接收從管體的另一端反射回來的超聲波信號， 把機械振動轉換為電信號，輸出超聲波回波信號，並通過與其依次連接的放大電路、濾波電 路和A/D轉換電路，使所述超聲波回波信號依次經放大、濾波和A/D轉換後輸入至現場可編 程門陣列FPGA ；所述現場可編程門陣列FPGA同時採樣輸出的正弦波驅動信號和輸入的超聲波回 波信號，並將採樣數據存放在內存中；所述中央處理單元CPU從現場可編程門陣列FPGA內存中讀取採樣數據，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的時刻；然後，根據輸出的正弦波驅動信 號確定超聲波傳播時間起點所對應的時刻。從而精確確定超聲波在管體中的傳輸時間。最 後CPU根據超聲波在超聲波溫度傳感器管體中的不同傳輸時間精確計算出其對應的溫度。本實用新型由於採用了基於FPGA的硬體電路和特殊的軟體細分算法，可以實現 納秒級精度的超聲波傳輸時間的測量，從而實現解析度優於0. oorc的高精度溫度測量，並 保證很好的實時性。本實用新型可廣泛的用於常溫下的精密溫度測量和控制等領域。

圖1是反射式超聲波溫度計結構框圖；圖2是加在換能器上的驅動信號示意圖；圖3是換能器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體工作原理示意圖；圖5a_5b是確定超聲波傳播時間終點所對應 刻的示意圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本實用新型的技術方案作進一步詳細說明。參見圖1，本溫度計主要由密閉金屬管體11、超聲波換能器12、中央處理單元 CPU19，現場可編程門列陣FPGE118，A/D轉換電路17，濾波電路16，放大電路15，功率放大 電路14、D/A轉換電路13、顯示電路20、鍵盤電路21、D/A轉換電路22和通道切換電路23 構成。管體11、超聲波換能器12構成溫度傳感器，管體中充滿液體。顯示電路20用於顯示 CPU計算出的溫度值，鍵盤電路21用於向輸入溫度計的參數及操作人員的權限，D/A轉換電 路22將溫度值從數位訊號轉換成模擬電流信號，輸出工程控制中常用的4 20毫安標準 電流信號。超聲波換能器可採用壓電式傳感器。參見圖2，是超聲波換能器上的驅動信號，它是在FPGA中產生的數字正弦信號經 D/A轉換電路轉換成模擬正弦信號，然後再經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 以驅動超聲波換能器將電能轉換為機械能，發出超聲波信號。參見圖3，是在換能器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。換能器發出的超聲波信號經管體的另一端反射傳播到換能器上時，換能器將超聲波 信號的機械能轉換為電能，輸出超聲波回波信號。換能器輸出的電信號在超聲波沒有傳播 到換能器上以前，幅值為零，換能器接收到超聲波信號後，輸出的電信號幅值逐漸增加，然 後逐漸減小衰減至零，是一個變幅周期信號，幅值最大的那個波對應於超聲波信號的最後 一個波。超聲波回波信號的頻率取決於超聲波信號的頻率，也是1MHz。參見圖4，CPU 19向FPGA18中的同步電路432發出開始採樣命令後，FPGA18先通 過通道切換電路啟動對超聲波換能器的驅動，發射超聲波信號，然後通過通道切換電路切 換到接受狀態，對超聲波換能器的輸出信號進行採樣。構建於FPGA內的數字正弦信號發生器431發送頻率為IMHz的8個周期的正弦信 號，該信號經過D/A轉換電路13轉換為模擬信號，再經功率放大電路14放大後，加載在換 能器Elll上，發出超聲波信號。換能器E212輸出的電信號經過運算放大電路15放大後，經 過濾波電路16濾波後連接到A/D轉換電路17。FPGA內部的採樣電路433控制A/D轉換電 路443將模擬信號轉換為數位訊號，並把採樣值逐一存入構建於FPGA內的RAM存儲區434 中。採樣完成後，FPGA430向CPU 19發送採樣結束狀態信息，CPU19接收到採樣結束狀態信 息後，結束一次採樣。採樣結束後，CPU19首先根據FPGA內的數字正弦信號發生器431的數據精確確定 超聲波信號中起點所對應的時刻TQD。然後CPU19發出讀數據命令，讀取暫存於RAM存儲區434中的數據，精確計算超聲 波傳播時間終點所對應的時刻。超聲波傳輸時間終點所對應的時刻是通過對回波信號所有採樣數據用細分插補 算法進行分析和計算而實現的。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，為保證測量的重複性，應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，最明顯的兩個特徵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的時刻的計算方法是[0041]首先逐點比較A/D採樣點，找出採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徵值波形；其次，參加圖5b，確定超聲波傳輸時間終點所對應的過零點Ptl前面一個採樣點P 和後面一個採樣點P+1，顯然在特徵波內採樣點P的採樣值大於零，採樣點P+1的採樣值小
於零；最後，以採樣點P和P+1兩點對應的時刻作為基準，用細分插補算法可以準確計算 出過零點Ptl所對應的時刻，具體計算方法如下設A/D的採樣頻率為FA/D，相鄰兩個採樣點之間的時間即採樣周期為TA/D ；從第一 個採樣點到採樣點P之間的採樣數為N，採樣點P對應的採樣值為VI，採樣點P所對應的時 刻為Tl ；採樣點P+1對應的採樣值為V2 ；採樣點P所對應的時刻為Tl，採樣點P與過零點 Ptl之間的時間為T2，過零點Ptl對應的時刻為Tzd，超聲波的傳輸時間為T，則TAID = -J-
^ AIDJl = TVx- —
^AlD在過零點附近較小的區域內，正弦波的波形接近於直線，可以根據直線插補的方 法確定Τ2 Tl = -~xVlxTAID
V2-V1A,D則過零點所對應的時刻，即超聲波傳輸時間終點所對應的時刻為Tzd = Tl + T2 = N X —+ ~-XTiad χ Fl從上式可知，超聲波傳輸時間
ZDFaid V2-V\ IAD
終點所對應時刻的解析度為R =——-——χΓΜη
V2-V\ IAD參加圖5b，假設超聲波回波信號的頻率為1M，則周期為Ius ；A/D的解析度是12
位，那麼可以將信號的幅值分為4096份，設A/D的採樣頻率為32MHz，則在正弦波正的最大
值到負的最大值的半個周期內，可以最多採16個點，如果把正弦波正的最大值到負的最大
值的半個周期內的波形看作是直線，則顯然可知 4096Vl-VX =-= 256
16觀察正弦波正的最大值到負的最大值的半個周期內的波形可以看出，過零點附近 曲線的斜率遠大於峰值附近曲線的斜率，則V2-V1 > 256R ----χΓ, <-^—xT,,n = χ —xlz/ = 0.122 s
V2-V1 /AD 256 'AD 256 32參見圖5，超聲波的傳輸時間為T = Tzd -Tqd = Nx-J- + 1 xTiad xVl-Tqd
tAio y^-vi由於超聲波傳輸時間起點所對應的時刻可以精確確定，則超聲波傳輸時間測量的解析度取決於超聲波傳輸時間終點所對應時刻的解析度，則超聲波傳輸時間測量的解析度 小於0. 122納秒。安裝在管體的長度是固定的，測得超聲波在不同溫度下在換能器和管體 的另一端之間的傳播時間，就可以測得溫度。例如，20 V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，如果換能器和管體另一端之間的距離是0. 15米，超聲波 的傳播距離是0. 30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父10-4秒，在211時和20°C時超聲波的傳輸時間差為1. 52X10_6 秒。如上所述，超聲波傳輸時間測量的解析度優於1.0X10—9秒，則可以實現解析度優於 0. 001°C的溫度測量。
權利要求一種反射式超聲波溫度計，其特徵在於其包括超聲波溫度傳感器、D/A轉換電路、功率放大電路、信號放大電路、濾波電路、A/D轉換電路、通道切換電路、現場可編程門陣列FPGA和中央處理單元CPU；所述超聲波溫度傳感器是由一超聲波換能器安裝在一密閉金屬管體內的一端而形成，管體中充滿液體；所述中央處理單元CPU連接現場可編程門陣列FPGA，控制現場可編程門陣列FPGA輸出正弦波驅動信號，現場可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉換電路，由D/A轉換電路對所述正弦波驅動信號進行轉換，D/A轉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連接，將信號輸入至所述超聲波換能器，該超聲波換能器將所述該輸入信號轉換成機械振動產生超聲波信號；所述超聲波換能器處於接受狀態時接收從管體的另一端反射回來的超聲波信號，把機械振動轉換為電信號，輸出超聲波回波信號，並通過與其依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉換電路，使所述超聲波回波信號依次經放大、濾波和A/D轉換後輸入至現場可編程門陣列FPGA；所述現場可編程門陣列FPGA同時採樣輸出的正弦波驅動信號和輸入的超聲波回波信號，並將採樣數據存放在內存中；所述中央處理單元CPU從現場可編程門陣列FPGA內存中讀取採樣數據，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的時刻；然後，根據輸出的正弦波驅動信號確定超聲波傳播時間起點所對應的時刻，從而精確確定超聲波在管體中的傳輸時間，最後CPU根據超聲波在超聲波溫度傳感器管體中的不同傳輸時間精確計算出其對應的溫度。
專利摘要本實用新型涉及一種反射式超聲波溫度計，由超聲波溫度傳感器、超聲波換能器驅動電路、超聲波回波信號處理電路和接口電路組成。超聲波溫度傳感器包括一個充滿液體的密閉管體和裝在管體一端的一個超聲波換能器兩。超聲波換能器驅動電路主要包括數模轉換器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、通道切換電路、FPGA和CPU組成。超聲波換能器驅動電路驅動換能器發出超聲波，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。超聲波在液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溫度的測量。所述溫度計用於常溫精密溫度測量，採用反射式結構，可以減小傳感器尺寸。
文檔編號G01K11/24GK201637503SQ201020177800
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者萬文略, 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