[实用新型]反射式超声波温度计

说明书

技术领域

本实用新型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计。

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。例如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

本实用新型针对上述问题，公开了一种测量分辨率可达0.001℃的精密温度测量方法和仪器，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，从而实现常温下的高精度温度测量。

本实用新型采用的技术方案是：

一种超声波温度计，用于实现测量分辨率优于0.001℃的精密温度测量。所述温度计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液体的密闭耐压金属管体和安装在管体一端的一个超声波换能器。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、通道切换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)组成。

所述换能器是压电式传感器，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；换能器也可以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。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。

所述通道切换电路在FPGA电路的控制下完成超声波换能器发射和接受两种工作状态的切换。

所述超声波换能器处于发射状态时，在FPGA的控制下发射一定数量的周期性正弦超声波信号，该信号在管体中的液体中传播到管体的另一端，在液体和管体的界面上发生反射。FPGA在换能器完成超声波发射后，控制通道切换电路将换能器的工作状态从发射状态切换到接受状态。反射后的超声波作用到换能器上后，换能器将超声波信号转换成电信号，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发出的超声波信号上的任意一点与换能器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。