[實(shí)用新型]高溫高壓超聲波溫度計(jì)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201020177814.X
• 申請(qǐng)日: 2010-04-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN201637502U
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張興紅;馮濟(jì)琴;陳錫侯;王先全;楊繼森;萬(wàn)文略;高忠華;劉小康
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01K11/22
• 分類號(hào): G01K11/22
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所 50123
• 代理人: 康海燕

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于精密傳感器和檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用超聲波技術(shù)精密測(cè)量溫度的溫度計(jì)。

背景技術(shù)

超聲波的顯著特征是頻率高，因而波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，方向性好，能夠定向傳播，傳播時(shí)遇到雜質(zhì)或分界面就會(huì)有顯著的反射。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于溫度等的精密測(cè)量。

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，傳播速度隨溫度、壓強(qiáng)等狀態(tài)參量的變化而變化。超聲波在氣體中傳播時(shí)傳播速度每秒約數(shù)百米，隨溫度升高而增大，0℃時(shí)空氣中音速為331.4米/秒，15℃時(shí)為340米/秒，溫度每升高1℃，音速約增加0.6米/秒。測(cè)得傳輸距離不變時(shí)超聲波在不同溫度下的傳播時(shí)間，就可以測(cè)得溫度。例如，20℃時(shí)超聲波的速度是344米/秒，21℃時(shí)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℃時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間是8.7209×10^-4秒，在21℃時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間是8.7057×10^-4秒，在21℃時(shí)和20℃時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間差為1.52×10^-5秒。要保證測(cè)量達(dá)到0.001℃的測(cè)量分辨率，要求超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的分辨率要達(dá)到1～2納秒才能實(shí)現(xiàn)。如果用常規(guī)的定時(shí)計(jì)數(shù)電路測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，則時(shí)鐘電路的頻率至少要達(dá)到1G，這對(duì)于儀器開(kāi)發(fā)來(lái)講顯然很難實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型針對(duì)上述問(wèn)題，公開(kāi)了一種測(cè)量分辨率可達(dá)0.001℃的精密溫度測(cè)量方法和儀器，設(shè)計(jì)了超聲波溫度傳感器、FPGA電路和軟件細(xì)分插補(bǔ)算法，可以在保證測(cè)量實(shí)時(shí)性的前提下實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)高溫高壓環(huán)境下的高精度溫度測(cè)量。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

一種超聲波溫度計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量分辨率優(yōu)于0.001℃的精密溫度測(cè)量。所述溫度計(jì)方法采用超聲波溫度傳感器、硬件電路及相關(guān)算法兩部分。超聲波溫度傳感器包括充滿氣體的空心球體和相對(duì)安裝在空心球體最大圓周上的兩個(gè)超聲波換能器E1和E2。硬件電路主要包括超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路、超聲波回波信號(hào)濾波電路、放大電路和信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路主要有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門列陣(FPGA)和中央處理單元(CPU)組成。

所述換能器E1是壓電式傳感器，可以把具有一定能量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)信號(hào)的頻率在超聲波的頻率范圍內(nèi)時(shí)，換能器E1把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)。換能器E2也是壓電式傳感器，把機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，當(dāng)超聲波信號(hào)作用到超聲波換能器E2上時(shí)，它把超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)可以稱之為超聲波回波信號(hào)。

所述超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)和功率放大電路。D/A轉(zhuǎn)換器用于把FPGA發(fā)出的數(shù)字正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬正弦信號(hào)，功率放大電路用于放大該正弦信號(hào)的功率，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)超聲波換能器E1。所述A/D轉(zhuǎn)換器主要用于把超聲波回波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸入FPGA。

所述FPGA電路主要功能有兩個(gè)：第一個(gè)功能是在CPU的控制下產(chǎn)生數(shù)字正弦信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并經(jīng)功率放大電路放大后驅(qū)動(dòng)換能器E1。第二個(gè)功能是完成超聲波回波信號(hào)的采樣，并把數(shù)據(jù)存在構(gòu)造于FPGA內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。

超聲波換能器E1發(fā)射一定數(shù)量的周期性正弦超聲波信號(hào)，該信號(hào)在氣體中傳播到達(dá)換能器E2后，激勵(lì)換能器E2產(chǎn)生超聲波回波信號(hào)，回波信號(hào)的幅值隨著換能器接收到的超聲波信號(hào)的連續(xù)激勵(lì)而逐漸增大，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)停止時(shí)，換能器的機(jī)械振動(dòng)在慣性的作用下仍然會(huì)持續(xù)并逐漸衰減，回波信號(hào)的幅值也逐漸減小，因此超聲波回波信號(hào)是一個(gè)變幅周期性信號(hào)，其周期對(duì)應(yīng)于超聲波信號(hào)的周期。回波信號(hào)幅值最大的那個(gè)周期對(duì)應(yīng)于換能器E1最后發(fā)出的那個(gè)超聲波信號(hào)的周期。

超聲波的傳播時(shí)間就是換能器E1發(fā)出的超聲波信號(hào)上的任意一點(diǎn)與換能器E2接收到的回波信號(hào)上相對(duì)應(yīng)的那一點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的關(guān)鍵是確定傳播時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)。傳播時(shí)間的起點(diǎn)可以是換能器E1發(fā)出的超聲波信號(hào)上特定所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，時(shí)間的終點(diǎn)是回波信號(hào)上與超聲波信號(hào)特征點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的那一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

回波信號(hào)是一個(gè)變幅值周期性信號(hào)，其波形中最有特征的波是幅值最大的那個(gè)波，可以稱之為特征波，特征波對(duì)應(yīng)于超聲波信號(hào)的最后一個(gè)波。在特征波中，最有特征的點(diǎn)是過(guò)零點(diǎn)和峰值點(diǎn)，可以選擇過(guò)零點(diǎn)作為回波信號(hào)的特征點(diǎn)。特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是傳播時(shí)間的終點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)，超聲波信號(hào)波形中最后那個(gè)波的過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻可以確定為傳播時(shí)間的起點(diǎn)。