精密超声波温度测量仪设计

　　0　引言

　　超声波在气体介质中传播时,声波的传播速度仅取决于气体的温度。当某一频率的声波通过气体时,声波频率将随气体的温度变化而变化[1]。在超声波测距系统中,波速的变化被当作误差,并且必须得到纠正,但当运用测温时,则正是利用波速的变化来测量温度的[2]。超声波温度测量要到达较好的准确度和分辨率,该时间信号的测量误差必须达到ns级。这是超声波测温技术在实际运用中要解决的关键问题[3]。国内已有相关装置和专利能使测量分辨率达到ns级,甚至突破ps级分辨率[4-6]。文中利用特殊的软件细分插补算法可实现ns级的微小时间信号测量,同时根据温度与超声波传播时间的关系实时计算出介质温度。

　　1　测量原理

　　1·1　超声波传播特性

　　超声波在近似理想的气体中的传播可以认为是绝热过程,其传播速度v为[7]：

　　式中:R为气体常数; r=C_p/C_v为定压比热和定容比热之比例系数;M为分子质量;d为超声波传播距离;T为超声波传播时间;ρ为气体分子密度;p为气体压强;Q为绝对温度。

　　1. 2　仪表工作原理

　　超声波温度测量仪是采用FPGA芯片对温度传感器的信号进行采集控制,先产生周期正弦信号激励换能器产生超声波,然后控制A/D转换器将超声波回波信号进行采集并将采集数据写入FPGA片上存储器,采集完毕后将采集数据送入嵌入式ARM处理器,让处理器对采集到的数据进行分析处理并实时显示到LCD上。测量仪结构框图如图1所示。

　　2　硬件电路实现

　　如图1所示,超声波温度测量仪主要由3个部分组成:由管体、超声波换能器及其驱动电路组成的测量传感器部分, FP-GA控制信号激励与信号采集部分,ARM嵌入式处理器进行信号分析与处理部分。

　　2·1　测量传感器

　　测量传感器中的超声波换能器是压电式传感器,可以把具有一定能量的模拟电压信号转换为机械振动,从而发出超声波信号。压电式传感器也可以将由超声波产生的机械振动转换为模拟电压信号,转换后的电压信号经放大和滤波后可以得到所需要的超声波信号。图1中换能器E1和E2就是分别负责发送超声波和接收超声波的换能器。

　　换能器E1的激励信号是先由FPGA控制产生数字正弦信号,再经D /A转换电路转换成模拟正弦信号后经功率放大电路放大而得到,该信号是模拟正弦波信号,频率为1 MHz,电压约10 V,电流约1·5 A,具有约15W的电能,足以驱动超声波换能器E1将电能转换为机械能,发出超声波信号。换能器E2负责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,它将会把该信号产生的机械振动转换为电信号,该信号即是超声波回波信号。回波信号比发送信号更加微弱且包含有一定的干扰信号,因此需要对该信号进行放大滤波处理,才能获得所需要的信号。