[发明专利]一种利用超声波技术精密测量温度的方法及测量仪

权利要求书

1.一种用超声波技术精密测量温度的方法，其特征在于：所述方法是将超声波换 能器E1与超声波换能器E2相对安装在一个充满超声介质的密闭耐压管体的管内两端 构成一个超声波温度传感器，用中央处理单元CPU控制现场可编程门阵列FPGA输 出正弦波驱动信号，让信号依次通过D/A转换电路和功率放大电路输入至所述超声波 换能器E1，由所述超声波换能器E1将输入信号转换成机械振动产生超声波信号；

所述超声波换能器E2接收所述超声波换能器E1发出的超声波信号，并输出超声 波回波信号，由滤波电路对超声波换能器E2发出的超声波回波信号进行滤波，再由 放大电路进行放大后，由A/D转换电路对回波信号进行采样，采样数据先存储在构造 于FPGA内的存储区内；

采样完成后，中央处理单元CPU首先根据FPGA发射超声波的数据确定超声波 传播时间起点所对应的时刻，然后从FPGA内读取超声波回波信号的A/D采样数据， 通过细分插补算法精确计算出超声波传播时间终点所对应的时刻，进而精确确定超声 波在两个换能器E1、E2之间的传输时间；然后CPU根据超声波在超声波温度传感器 管体中两个超声波换能器E1和E2之间的不同传输时间，结合在不同温度下和不同介 质中超声波的传输速度，精确计算得到温度传感器的温度；

所述声波传播时间起点所对应的时刻取FPGA发射超声波信号最后那个波的过零 点对应的时刻；

所述计算传播时间的终点的细分插补算法是：根据FPGA中存储的超声波回波的 A/D采样信号，首先确定回波信号中峰值幅值最大的那个周期内的波形；然后确定过 零点前后两个采样点所对应的时刻；最后以过零点前后两个采样点为基准，用拟合的 方法对采样点进行细分，确定回波信号过零点所对应的时刻，即超声波传播时间终点 所对应的时刻。

2.根据权利要求1所述的用超声波技术精密测量温度的方法，其特征在于：所 述换能器E1和E2是压电式传感器。

3.一种实现权利要求1或2所述方法的高精度超声波温度测量仪，其特征在于： 其包括超声波换能器E1、超声波换能器E2、D/A转换电路、功率放大电路、信号放 大电路、滤波电路、A/D转换电路、现场可编程门阵列FPGA和中央处理单元CPU；

所述超声波换能器E1与超声波换能器E2相对安装在一个密闭耐压管体的两端， 两个换能器之间充满超声介质；

所述中央处理单元CPU连接现场可编程门阵列FPGA，控制现场可编程门阵列FPGA 输出正弦波驱动信号，现场可编程门阵列FPGA的一路输出连接D/A转换电路，由D/A 转换电路对所述正弦波驱动信号进行转换，D/A转换电路再连接功率放大电路，对信 号进行放大，功率放大电路与超声波换能器E1连接，将信号输入至所述超声波换能 器E1，该超声波换能器E1将输入信号转换成机械振动产生超声波信号；

所述超声波换能器E2接收所述超声波换能器E1发出的超声波信号，把机械振动 转换为电信号，输出超声波回波信号，并通过与其依次连接的放大电路、滤波电路和 A/D转换电路，使所述超声波回波信号依次经放大、滤波和A/D转换后输入至现场可 编程门阵列FPGA；

所述现场可编程门阵列FPGA同时采样输出的正弦波驱动信号和输入的超声波回 波信号，并将采样数据存放在内存中；

所述中央处理单元CPU从现场可编程门阵列FPGA内存中读取采样数据，通过细分 插补算法精确计算出超声波传播时间终点所对应的时刻；然后，根据输出的正弦波驱 动信号确定超声波传播时间起点所对应的时刻，从而精确确定超声波在两个换能器 E1、E2之间的传输时间；最后CPU根据超声波在超声波温度传感器管体中两个换能 器E1、E2之间的不同传输时间，结合在不同温度下和不同介质中超声波的传输速度， 精确计算得到温度传感器的温度；

所述声波传播时间起点所对应的时刻取FPGA发射超声波信号最后那个波的过零 点对应的时刻；

所述计算传播时间的终点的细分插补算法是：根据FPGA中存储的超声波回波的 A/D采样信号，首先确定回波信号中峰值幅值最大的那个周期内的波形；然后确定过 零点前后两个采样点所对应的时刻；最后以过零点前后两个采样点为基准，用拟合的 方法对采样点进行细分，确定回波信号过零点所对应的时刻，即超声波传播时间终点 所对应的时刻。

4.根据权利要求3所述的高精度超声波温度测量仪，其特征在于：所述换能器 E1和E2是压电式传感器。