|
基于超聲波技術的溫度傳感器設計隨著超聲波檢測技術的應用，溫度測量具有速度快、精度高、測量范圍大等優(yōu)點。利用超聲波在介質中傳播速度隨溫度變化的特點，采用帶有NIOS軟核的FPGA作為硬件電路控制核心，實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)采集，采用軟件細分插值算法實現(xiàn)超聲波傳播時間的精確測量。經過理論推導和實驗，所設計的超聲溫度傳感器能夠實現(xiàn)高精度、高分辨率的溫度測量，傳播時間達到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等技術已經成熟，并且各有各的優(yōu)點。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域的要求，尤其是高科技領域。因此，各國專家正在開發(fā)各種新型溫度傳感器和特殊實用的測量技術。 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最大，氣體中的聲速變化率在低溫時最大;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下，能量交換芯片振動產生的頻率高于20kkh z的機械波。它具有頻率高、波長短、衍射現(xiàn)象小、指向性好等特點，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本身為敏感元件。在測量溫度時，可以通過測量超聲波在被測介質中的傳播速度來間接測量被測介質的溫度。 超聲波在理想氣體中的傳播可以認為是絕熱過程，其傳播速度V為
由速度與傳播時間的關系( = 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 為分子質量；d 為超聲波傳播距離； 為超聲波傳播時間；p為氣體分子密度 為氣體壓強 ；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， 且兩者關系如下：
波信號通過固定時間激勵超聲能量轉換器發(fā)出，并及時采集接收到的信號，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部的介質，可以實現(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計 傳感器硬件電路的設計在超聲波溫度傳感器的設計中起著重要的作用。設計的合理性直接影響到系統(tǒng)運行的可靠性，而電路的性能是超聲波溫度傳感器實現(xiàn)高分辨率、高精度的最根本保證。 2. 2. 1 .信號處理電路設計 高精度超聲波溫度傳感器的信號處理電路基于FPGA的硬件設計，如圖2所示，包括能量轉換器的驅動電路、放大電路、濾波電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路和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處理器和人機交互電路。 2.2.2驅動電源設計 超聲波信號必須達到一定的幅度和頻率才能產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換成電信號，由于信號在傳播過程中會衰減，需要進一步濾波和放大，使信號滿足測量的需要。同時，為了研制測量范圍更廣、精度更高的超聲波溫度傳感器，換能器可以隨時改變，超聲波的傳播頻率也可以調節(jié)，因此設計了可調節(jié)的超聲波驅動電路來滿足測量需要。圖3是驅動電源框的圖片。 2.2.3 FPG A和A/D轉換電路選型 由于超聲波在介質中的傳播速度快，傳播時間很短，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，并且要保證時間測量的精度達到ns級，甚至高于ns級。超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計是超聲波溫度傳感器設計的核心部分，因此需要選擇所需的FPGA芯片和A/D轉換電路來構建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以達到高速、高分辨率實時數(shù)據(jù)采集的目的。 FPGA采用cyclone系列EP2C5T 14418器件。其內部包括2個鎖相環(huán)，8個全局時鐘網絡，4個608個可編程邏輯單元，最高輸出速率可達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展非常方便。并且不需要改變硬件電路來實現(xiàn)系統(tǒng)的一些需要工作。 在設計中要特別注意A/D轉換電路的數(shù)字輸出要與模擬輸入隔離良好，放大電路與A/D轉換電路相鄰引腳間距要在2m m以內。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計 軟件設計將對系統(tǒng)進行編程，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間的精確測量算法。 3.1. 傳播時間的精確測量算法 超聲波傳播時間的測量精度直接影響溫度的測量精度，因此超聲波傳播時間的精確測量算法是超聲波測溫系統(tǒng)軟件設計的核心部分。超聲波傳播時間的精確測量是測量超聲波換能器從發(fā)射到接收所用的時間。由于該信號是由基于dds原理的正弦波信號發(fā)生器產生的，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23，因此可以清楚地確定起始時間點。然而，回波信號的波形是通過40 M hz的A/D轉換器采集的，采集數(shù)據(jù)之間存在較大的時間間隔，因此采集點的測量無法達到高精度。因此，有必要對波形進行細分，以實現(xiàn)高精度的傳播時間測量。
圖4 adc12dl080電路原理圖 3.2軟件細分插值算法 傳播時間的精確測量取決于傳播終點的精確。采用軟細分插值技術實現(xiàn)時間細分，測量到的傳播時間分辨率可達ns級。圖5顯示了軟件細分的示意圖。
圖 5 軟 細 分 原 理 圖 首先， 通過逐點比較 A／D 采樣點，找出采樣點的最大值 ，確定幅值最大的特征值波形 ；其次， 通過查找比較的算法 ，確定超聲波傳輸時間終點所對應的過零點 的前一個采樣點 P 和后一 個采樣點 P + 1 ，顯然在特征波內采樣點 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 對應的時刻作為基準， 用細分插補算法準確計算出過零點 P n 所對應的時刻 。
在過零點附近較小的區(qū)域內，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：
則可計算過零點所對應的時刻 ，從而計算超聲波傳輸時間終點所對應 的時刻 ：
通過理論分析和實驗 的證 明， 使用該方 法測得超 聲波傳 播時 間的分辨率能夠達 到 0． 122 ns， 測量的重復性在 1 nS 之內。 4 實驗研究 4 .1 分辨率實驗研究 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換為超聲波在固定距離上的傳播時間的測量，根據(jù)分析，理論上測量的傳播時間可以達到 as 級。 通過實驗來驗證實際數(shù)據(jù)是否滿足 ns 級超聲波傳播時間的測量。 假設在這段時間內溫度穩(wěn)定為 25 ℃ ，則超聲波傳播的標準傳播時間可取其均值225 403． 09 ns，從圖6 中可以看出，大部分傳播時間與標準值的差都在 -t-O. 5 ns 之內， 只有少數(shù)數(shù)據(jù)的誤差大于這個值 ， 且其中最大誤差約為1ns ， 雖然 沒能 達 到理論分辨率的0.122 ns， 但誤差仍然在 ns 級別 ，滿足傳感器設計的預期條件。 4.2 時間與溫度的關系實驗分析 超聲波傳播介質溫度與超聲波傳播時間的關系曲線如圖7所示， 曲線上的點取值為對相同溫度下取 6 個傳播時間數(shù)據(jù)的平均值，從圖7 中可以看到，超聲波傳播時間是 隨環(huán)境溫度的增加而相應地縮短 ，只要在實際測量中檢測到環(huán)境中超聲波的傳播 時間 ，便對應著1個環(huán)境溫度 。
圖 6 傳播 時間描點圖
圖 7 溫 度與傳 播時間的關系圖 5 結論 參考文獻 ： [1] 呂方瑤 ，張池軍 ，閏勇 ，等 ．一類高精度溫度測量技 術研究． 電子測量技術 ，20 11，34 (8 ) ：88 —9O ． [2] 朱曉旭 ，周修文． 溫度傳感 器． 電子測量技術 ，2013 ，3 (5 ) ：44 - 45 ． [3] 張興紅 ，蔡偉 ， 向鳳 云 ，等 ．精 密超聲波溫度測量 儀設計． 儀表技 術與傳 感器 ，20 11(6 ) ：3 1 —33． [4] 蔡偉 ，劉淑香 ，向風 云 ， 等． 基于 FPG A 的高精度 超聲波 溫度計 設計． 電子技術應用 ，20 11，37 (8) ：10 —12． [5] 林立軍 ． FPG A 在超 聲氣 體 溫度 測量 中 的應用 ． 傳 感技 術學 報 ，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 A ／D 轉換電路設計． 自動化與儀表 ，20 10 (11) ：18 —26． [7] 阮建富． 一種測量 超聲波傳播 時 間的裝置 ． 自動化 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 ，熊強強 ，劉小康，等．基于超聲電機技術的新型時柵傳感器原理分析．重慶理工大學學報( 自然科學版) ，2010 (7 ) ：9 1 —95． 班寧產品匯總 |
