[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

说明书

技术领域

本发明属于精密传感器和检测技术领域，具体涉及一种用超声波技术精密测量温 度的温度测量仪。

背景技术

超声波的显著特征是频率高，因而波长短，绕射现象小，方向性好，能够定向传 播，传播时遇到杂质或分界面就会有显著的反射。随着电子技术的发展，超声波技术 越来越多的应用于温度等的精密测量。

超声波在介质中传播时，传播速度随温度、压强等状态参量的变化而变化。超声 波在气体中传播时传播速度每秒约数百米，随温度升高而增大，0℃时空气中音速为 331.4米/秒，15℃时为340米/秒，温度每升高1℃，音速约增加0.6米/秒。测 得传输距离不变时超声波在不同温度下的传播时间，就可以测得温度。例如，20℃时 超声波的速度是344米/秒，21℃时超声波的速度是344.6米/秒，如果超声波的传 输距离是0.3米，则在20℃时超声波的传输时间是8.7209×10^-4秒，在21℃时超声波 的传输时间是8.7057×10^-4秒，在21℃时和20℃时超声波的传输时间差为1.52×10^-6秒。要保证测量达到0.001℃的测量分辨率，要求超声波传输时间测量的分辨率要达 到1～2纳秒才能实现。如果用常规的定时计数电路测量超声波的传输时间，则时钟电 路的频率至少要达到1G，这对于仪器开发来讲显然很难实现。

发明内容

本发明针对上述问题，公开了一种测量分辨率可达0.001℃的精密温度测量方法 和温度测量仪，设计了超声波温度传感器、FPGA电路和软件细分插补算法，可以在保 证测量实时性的前提下实现纳秒级超声波传输时间的测量，从而实现高精度温度测量。

本发明采用的技术方案是：

本发明用于实现测量分辨率优于0.001℃的精密温度测量，所述温度测量方法采用 超声波温度传感器、硬件电路及相关算法两部分。超声波温度传感器包括一个充满超 声介质的密闭耐压管体和分别安装在管体两端的两个超声波换能器E1和E2；硬件电 路主要包括超声波换能器驱动电路、超声波回波信号滤波电路、放大电路和信号处理 电路。信号处理电路主要有模数转换器(A/D)、现场可编程门列阵(FPGA)和中央 处理单元(CPU)。

所述换能器E1是压电式传感器，可以把具有一定能量的电信号转换为机械振动， 当信号的频率在超声波的频率范围内时，换能器E1把电信号转换为超声波信号。换 能器E2也是压电式传感器，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，它把超声波信号转换为电信号，该信号可以称之为超声波回波信号。

所述超声波换能器驱动电路包括数模转换器(D/A)和功率放大电路。D/A转换 器用于把FPGA发出的数字正弦信号转换为模拟正弦信号，功率放大电路用于放大该 正弦信号的功率，使之有足够的能量驱动超声波换能器E1。所述A/D转换器主要用 于把超声波回波模拟信号转换为数字信号，并输入FPGA。

所述FPGA电路主要功能有两个：第一个功能是在CPU的控制下产生数字正弦 信号，该信号经D/A转换器转换成模拟信号，并经功率放大电路放大后驱动换能器 E1。第二个功能是完成超声波回波信号的采样，并把数据存在构造于FPGA内部的存 储区内。

超声波换能器E1发射一定数量的周期性正弦超声波信号，该信号在介质中传播 到达换能器E2后，激励换能器E2产生超声波回波信号，回波信号的幅值随着换能器 接收到的超声波信号的连续激励而逐渐增大，当激励信号停止时，换能器的机械振动 在惯性的作用下仍然会持续并逐渐衰减，回波信号的幅值也逐渐减小，因此超声波回 波信号是一个变幅周期性信号，其周期对应于超声波信号的周期。回波信号幅值最大 的那个周期对应于换能器E1最后发出的那个超声波信号的周期。

超声波的传播时间就是换能器E1发出的超声波信号上的任意一点与换能器E2接 收到的回波信号上相对应的那一点之间的时间间隔。超声波传输时间测量的关键是确 定传播时间的起点和终点。传播时间的起点可以是换能器E1发出的超声波信号上特 定所对应的时刻，时间的终点是回波信号上与超声波信号特征点相对应的那一点所对 应的时刻。