高精度分體式超聲波溫度測(cè)量?jī)x研究*

張興紅，陳　鑫，蔣洪慶，何　濤

（重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心；時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054）

高精度分體式超聲波溫度測(cè)量?jī)x研究*

張興紅*，陳鑫，蔣洪慶，何濤

（重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心；時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054）

傳統(tǒng)的溫度測(cè)量?jī)x在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)無(wú)法保證穩(wěn)定的高精度測(cè)量，針對(duì)此種不足，設(shè)計(jì)了一種高精度分體式多聲道超聲波溫度測(cè)量?jī)x。該溫度測(cè)量?jī)x利用超聲波測(cè)溫技術(shù)，以被測(cè)物體作為傳播媒介，在傳播距離確定的條件下，通過(guò)測(cè)得超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間間接測(cè)得介質(zhì)的溫度。分體式多聲道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使溫度測(cè)量準(zhǔn)確有效，同時(shí)降低了傳感器材質(zhì)在耐高溫、耐腐蝕方面的限制要求?；贔PGA的快速處理電路以及細(xì)分插補(bǔ)算法，使傳播時(shí)間的測(cè)量分辨率優(yōu)于納秒級(jí)，確保實(shí)現(xiàn)分辨率優(yōu)于0.001℃的高精度溫度測(cè)量。

精密測(cè)量；超聲波測(cè)溫；分體式；細(xì)分插補(bǔ)

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.021

溫度是國(guó)際單位制中七個(gè)基本的物理量之一，是表征物體熱物性的重要參數(shù)，對(duì)溫度進(jìn)行精密測(cè)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，溫度測(cè)量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展［1］。

超聲波測(cè)溫技術(shù)是根據(jù)超聲波通過(guò)介質(zhì)傳播時(shí)的波速與介質(zhì)溫度有關(guān)這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的［2］。超聲波測(cè)溫具有非接觸式測(cè)量和快速時(shí)間響應(yīng)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為一種非常有前景的測(cè)溫方法［3］。與傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)相比，超聲波測(cè)溫具有多方面的優(yōu)勢(shì)，可望應(yīng)用于電站鍋爐的溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、火箭排氣、汽缸燃燒氣體、熔融液、核反應(yīng)堆石墨芯等處的測(cè)溫［4-5］。

現(xiàn)有的整體式超聲波溫度測(cè)量?jī)x，其單對(duì)測(cè)頭的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法消除多次測(cè)量帶來(lái)的隨機(jī)誤差，為提高超聲溫度測(cè)量精度，在超聲溫度傳感器中采用多聲道測(cè)量方式［6］，從結(jié)構(gòu)上著手，降低隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量精度造成的影響。本文通過(guò)采用分體式多聲道結(jié)構(gòu)，提供一種高精度超聲波溫度測(cè)量?jī)x研究方法。將多對(duì)測(cè)頭均勻布置在裝有被測(cè)介質(zhì)的容器外側(cè)的各個(gè)方位，讓超聲波在多聲道傳播，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)介質(zhì)溫度的精確測(cè)量。

1　分體式測(cè)頭的安裝設(shè)計(jì)

測(cè)頭的核心部分是壓電超聲換能器，它可以把具有一定能量的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)從而發(fā)出超聲波，也可以將由超聲波產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)［7］。如圖1所示為分體式測(cè)頭的安裝示意圖。圖中四對(duì)超聲波換能器（E11與E21、E12與E22、E13與E23、E14與E24）分別被相對(duì)安裝在裝有被測(cè)介質(zhì)的圓柱型容器外壁上，構(gòu)成超聲波的多聲道傳播，其中換能器的安裝位置要低于被測(cè)介質(zhì)的高度，以便于超聲波穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)。四個(gè)換能器E11、E12、E13、E14構(gòu)成發(fā)射換能器組E1，發(fā)射換能器組E1用于發(fā)射超聲波信號(hào)；而換能器E21、E22、E23、E24構(gòu)成接收換能器組E2，接收換能器組E2用于接收超聲波信號(hào)。

圖1　分體式測(cè)頭的安裝示意圖

這種分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效的避免測(cè)頭與被測(cè)介質(zhì)之間的接觸，在溫度測(cè)量時(shí)，能夠降低對(duì)傳感器材質(zhì)的耐高溫性能和耐腐蝕性等要求。同時(shí)采用的是多聲道測(cè)量，通過(guò)對(duì)超聲波在多個(gè)聲道間的傳播得到溫度值進(jìn)行算術(shù)平均而得出最終溫度值。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了測(cè)量過(guò)程中隨機(jī)誤差造成的影響，使得到的測(cè)量結(jié)果更加真實(shí)可靠。

2　超聲波驅(qū)動(dòng)電路及驅(qū)動(dòng)信號(hào)

超聲波驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖2所示。其主要功能是產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)并激勵(lì)發(fā)射換能器組發(fā)射超聲波。

圖2　超聲波驅(qū)動(dòng)電路框圖

在CPU控制下，構(gòu)建于FPGA內(nèi)的發(fā)生器發(fā)出一組數(shù)字正弦波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D/ A）、放大濾波電路的處理后轉(zhuǎn)換成一組模擬正弦波，也就是超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。超聲波就是在該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下由發(fā)射換能器組E1產(chǎn)生的。超聲波在傳播過(guò)程中，頻率越高則方向性越好，能量越集中，且超聲波頻率越高，測(cè)量精度越好，但是頻率越高超聲波衰減也越大，會(huì)導(dǎo)致超聲波的傳播距離變短，同時(shí)還會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的難度。綜合考慮將超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置為頻率為1 MHz的正弦波。

超聲波的發(fā)射方式采用脈沖群觸發(fā)，因此在設(shè)計(jì)超聲波驅(qū)動(dòng)電路時(shí)還要考慮發(fā)射的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中波形的個(gè)數(shù)，即脈沖群中脈沖的個(gè)數(shù)。在保證基本精度需求前提下可以通過(guò)降低采樣率來(lái)減少計(jì)算復(fù)雜度，提高實(shí)時(shí)性［8］。因而將驅(qū)動(dòng)信號(hào)中波形個(gè)數(shù)設(shè)定為8個(gè)。如圖3所示為超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖。

圖3　超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形圖

3　回波信號(hào)處理電路及超聲波回波信號(hào)

超聲波回波信號(hào)處理電路框圖如圖4所示，其主要功能是對(duì)換能器接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)傳播時(shí)間與溫度的關(guān)系算出溫度值。

圖4　超聲波回波信號(hào)處理電路框圖

當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)大型容器中的介質(zhì)傳播到另一端的接收換能器組E2時(shí)就會(huì)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)稱(chēng)為超聲波回波信號(hào)。如圖5所示為超聲波回波信號(hào)的波形圖。由圖可知:超聲波回波信號(hào)的幅值先增大后逐漸減小到零，成變幅值的周期性變化。超聲波回波信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)應(yīng)，隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)中正弦波的連續(xù)發(fā)射，回波信號(hào)的幅值逐漸增大，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第8個(gè)正弦波剛好對(duì)應(yīng)回波信號(hào)幅值最大的波，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)射完后回波信號(hào)幅值逐漸減小到零。在超聲波回波信號(hào)中將幅值最大的那個(gè)波形稱(chēng)為特征波，將特征波上的過(guò)零點(diǎn)稱(chēng)為特征點(diǎn)。

圖5　超聲波回波信號(hào)波形圖

在測(cè)溫過(guò)程中，超聲波的傳播時(shí)間很短，要達(dá)到精確測(cè)量的目的就要保證回波信號(hào)處理電路中A/D采樣和數(shù)據(jù)采集的速度要快、精度要高同時(shí)還有足夠的存儲(chǔ)空間。因此，在超聲波回波信號(hào)處理電路中，高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換電路和快速的FPGA是溫度精確測(cè)量的硬件保障。在本設(shè)計(jì)研究中選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是NS公司的ADC12DL040芯片。該芯片具有12位的分辨率和40 MHz的轉(zhuǎn)換頻率滿(mǎn)足對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行高速高精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。在ADC12DL040芯片完成A/D轉(zhuǎn)換后要保證有足夠的存儲(chǔ)空間來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)，而在FPGA內(nèi)部能構(gòu)造穩(wěn)定可靠的內(nèi)存，不需要大量的控制信號(hào)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)，節(jié)省芯片的I/O引腳，能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)［9］。

4　超聲波傳播時(shí)間的精密測(cè)量

超聲波測(cè)溫技術(shù)是根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度來(lái)間接得到介質(zhì)的溫度［10］。當(dāng)傳播距離一定時(shí)，通過(guò)測(cè)超聲波的傳播時(shí)間就可以間接測(cè)出介質(zhì)溫度。由此可知:影響溫度測(cè)量精度的主要因素是超聲波傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確測(cè)量超聲波傳播時(shí)間是準(zhǔn)確測(cè)量溫度的前提［11］，當(dāng)超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度越高，則溫度測(cè)量的精度越好。因此在超聲波信號(hào)檢測(cè)中，必須采用高精度的傳播時(shí)間測(cè)量方法和信號(hào)的有效性檢測(cè)方法。

在超聲波測(cè)溫技術(shù)中，超聲波的傳播時(shí)間就是發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)上的任意一點(diǎn)與接收換能器接收到的回波信號(hào)上相應(yīng)的那一點(diǎn)之間的時(shí)間間隔［12］。超聲波傳播時(shí)間測(cè)量的關(guān)鍵在于超聲波傳播的起點(diǎn)和終點(diǎn)的精確確定。超聲波信號(hào)是換能器受到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下發(fā)射的，而超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)是在CPU的控制下由構(gòu)建于FPGA中的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的，因此超聲波傳播的起點(diǎn)時(shí)刻可以CPU精確確定。因此超聲波傳輸時(shí)間精密測(cè)量的關(guān)鍵是確定傳播時(shí)間的終點(diǎn)，其精度依賴(lài)于對(duì)終點(diǎn)的精確確定［13］。

圖6　超聲波波形與傳播時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)

將超聲波傳輸時(shí)間的起點(diǎn)設(shè)為發(fā)射換能器所發(fā)射的超聲波信號(hào)中最后那個(gè)波的過(guò)零點(diǎn)，則超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)為接收換能器接收到的超聲波信號(hào)上幅值最大波形的過(guò)零點(diǎn)（特征點(diǎn)）。如圖6所示為超聲波波形與傳播時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系的示意圖。

設(shè)計(jì)中通過(guò)將高速高分辨率的信號(hào)采樣電路和直線(xiàn)插補(bǔ)算法相結(jié)合，精確計(jì)算超聲波傳播時(shí)間的終點(diǎn)時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)超聲波傳輸時(shí)間的精密測(cè)量，從而保證對(duì)溫度高精度的測(cè)量。其具體算法如下:

設(shè)A/D采樣電路的的采樣頻率為fA/D，A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率是RA/D位，超聲波的頻率為fu，采樣點(diǎn)P的采樣值為V1，所處時(shí)刻為t1；采樣點(diǎn)P1的采樣值為V2，采樣點(diǎn)P與過(guò)零點(diǎn)P0之間的時(shí)間為t2，在過(guò)零點(diǎn)附近較小的區(qū)域內(nèi)，將正弦波曲線(xiàn)看成直線(xiàn)，根據(jù)直線(xiàn)插補(bǔ)的方法確定t2:

從第一個(gè)采樣點(diǎn)到采樣點(diǎn)P之間的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N，則特征波過(guò)零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，即超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻tend為:

又因?yàn)槌暡▊鞑r(shí)間的起點(diǎn)時(shí)刻tstart可以由CPU精確控制，則超聲波的傳播時(shí)間t為:

由式（3）可知超聲波傳播時(shí)間的分辨率R為:

由上述分析可以知道:超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量分辨率與A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率的位數(shù)以及超聲波的頻率有關(guān)。超聲波頻率越高，A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率的位數(shù)越高，則超聲波傳播時(shí)間的分辨率越高。

又超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為1 MHz，A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC12DL040的分辨率是12位，則超聲波傳輸時(shí)間的分辨率R為:

安裝在圓柱型容器上多對(duì)換能器之間的距離均是固定的，測(cè)得在不同溫度下超聲波在兩個(gè)相互對(duì)應(yīng)的換能器之間的傳播時(shí)間，就可以計(jì)算出四個(gè)與之相對(duì)應(yīng)溫度值，對(duì)這四個(gè)溫度值求算術(shù)平均得到的結(jié)果就是最終的溫度值。當(dāng)傳播距離為1 m時(shí)，超聲波在20℃和21℃的水中的傳播速度與傳播時(shí)間如表1所示。

表1　超聲波在不同溫度的水中的傳播速度與傳播時(shí)間

由表1可知在21℃時(shí)和20℃時(shí)超聲波的傳輸時(shí)間差為1.363 2×10-6s。欲使溫度測(cè)量?jī)x要求達(dá)到溫度測(cè)量的分辨率優(yōu)于0.001℃的要求，則對(duì)超聲波信號(hào)的時(shí)間測(cè)量的分辨率必須優(yōu)于納秒級(jí)。通過(guò)高分辨率的A/D采樣電路以及細(xì)分插補(bǔ)算法使超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量分辨率達(dá)到0.122 ns，可以實(shí)現(xiàn)分辨率優(yōu)于0.001℃的溫度測(cè)量。

5　超聲波溫度測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)組成

圖7　超聲波溫度測(cè)量?jī)x原理框圖

根據(jù)以上方法，超聲波溫度測(cè)量?jī)x的原理框圖如圖7所示。本溫度測(cè)量?jī)x主要超聲波發(fā)射換能器組E1（包括換能器E11、E12、E13、E14）、超聲波接收換能器組E2（包括換能器E21、E22、E23、E24）、中央處理單元CPU、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)列陣FPGA、A/D轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路、功率放大電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、通道切換電路、顯示電路和鍵盤(pán)電路等構(gòu)成。發(fā)射換能器組E1中的換能器與接收換能器組E2中的換能器兩兩相對(duì)安裝在裝有被測(cè)介質(zhì)的容器外壁上。

首先，超聲波驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生周期為1 MHz波形個(gè)數(shù)為8個(gè)的正弦波脈沖群信號(hào)。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)通道切換電路逐一輪流驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器組E1中的換能器發(fā)射超聲波。

其次，接收換能器組E2中與之對(duì)應(yīng)的換能器將接收到超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即超聲波回波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)回波信號(hào)處理電路處理后，將被采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。

然后，CPU利用細(xì)分插補(bǔ)算法對(duì)存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，算出超聲波在一對(duì)相對(duì)安裝的換能器之間的傳播時(shí)間。再通過(guò)傳播時(shí)間與溫度的關(guān)系間接算出一個(gè)溫度值。

通道切換電路進(jìn)行通道切換，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)逐個(gè)輪流驅(qū)動(dòng)換能器組E1中的換能器，使超聲波在兩兩安裝的換能器E11與E21、E12與E22、E13與E23、E14與E24之間完成發(fā)射和接收，從而可以得到四個(gè)溫度值，最后CPU對(duì)這四個(gè)值求算術(shù)平均就能得出最終的溫度值并在LCD上顯示出來(lái)或通過(guò)RS485將數(shù)據(jù)傳到其他外設(shè)終端。

6　超聲波傳播時(shí)間實(shí)驗(yàn)分析

經(jīng)分析，超聲波溫度測(cè)量的關(guān)鍵在于傳播時(shí)間的精密測(cè)量，如果傳播時(shí)間的測(cè)量能達(dá)到ns級(jí)，那么影響超聲波溫度測(cè)量?jī)x精密性的最關(guān)鍵問(wèn)題將得以解決。圖8所示為在恒溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為25℃，傳播距離為338 mm時(shí)，一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)測(cè)出的3 856個(gè)傳播時(shí)間數(shù)據(jù)中的150個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的誤差曲線(xiàn)，圖中超聲波傳播時(shí)間的平均值225.403 1 us。由圖可以看出，傳播時(shí)間的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，誤差值大多集中在±0.3 ns之內(nèi)，只有個(gè)別傳播時(shí)間誤差大于1 ns，說(shuō)明時(shí)間測(cè)量的重復(fù)性、穩(wěn)定性相對(duì)比較好。雖然沒(méi)能達(dá)到理論分辨率的0.122 ns，但誤差仍然在ns級(jí)別，初步滿(mǎn)足超聲波溫度測(cè)量?jī)x對(duì)時(shí)間精密測(cè)量的要求。

從圖8中可以看出有極少量傳播時(shí)間的誤差大于1 ns，出現(xiàn)這種情況的原因是測(cè)量的傳播時(shí)間存在噪聲干擾，如A/D轉(zhuǎn)換中的噪聲、超聲波傳播途中的噪聲、換能器噪聲等。為提高傳播時(shí)間的測(cè)量精度，為溫度的精密測(cè)量創(chuàng)造良好的條件，采用中值濾波法進(jìn)行優(yōu)化處理去除噪聲。濾波后超聲波傳播時(shí)間誤差曲線(xiàn)如圖9所示，濾波后超聲波傳播時(shí)間的誤差在±0.3 ns之內(nèi)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的硬件電路和細(xì)分插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)時(shí)間精密測(cè)量的可行性，這為后期溫度的高精度測(cè)量奠定了良好的研究基礎(chǔ)。

完成超聲波傳播時(shí)間的優(yōu)化處理后，對(duì)超聲波傳播時(shí)間與介質(zhì)溫度之間的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。圖10所示為超聲波傳播距離為338 mm時(shí)以水作為超聲波傳播介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)溫度由13.1℃上升到13.3℃時(shí)，超聲波傳播時(shí)間由226 368.4 ns下降到226 217.3 ns，在此溫度變化區(qū)間內(nèi)超聲波傳播時(shí)間與介質(zhì)溫度成反比，即傳播時(shí)間隨溫度的增加而逐漸變小。

圖8　超聲波傳播時(shí)間誤差曲線(xiàn)

圖9　濾波后超聲波傳播時(shí)間誤差曲線(xiàn)

圖10　溫度（13.1℃～13.3℃）對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間變化曲線(xiàn)

7　結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的整體式超聲波溫度測(cè)量?jī)x所存在的局限性，提出了一種測(cè)量分辨率優(yōu)于0.001℃的分體式多聲道超聲波溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)思路，有如下特點(diǎn):

①將被測(cè)對(duì)象作為超聲波傳播的介質(zhì)，當(dāng)超聲波傳播距離確定時(shí)，通過(guò)精密測(cè)量測(cè)得超聲波的傳播時(shí)間就可精密測(cè)得被測(cè)對(duì)象的溫度值。

②將測(cè)頭安裝在被測(cè)介質(zhì)容器的外側(cè)，有效避免了測(cè)頭與被測(cè)介質(zhì)接觸，降低了對(duì)測(cè)頭材質(zhì)的要求。

③采用多聲道測(cè)量，將多對(duì)測(cè)頭均勻布置在被測(cè)對(duì)象的各個(gè)方位，由此獲取多個(gè)位置的溫度值，取其算術(shù)平均值，削弱了隨機(jī)誤差造成的影響，使得結(jié)果更接近真實(shí)值。

④采用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換電路和直線(xiàn)插補(bǔ)算法，將硬件電路與軟件算法有機(jī)結(jié)合，保證了對(duì)超聲波傳播時(shí)間的精密測(cè)量。同時(shí)，基于FPGA的硬件電路使得數(shù)據(jù)能被快速處理，使溫度測(cè)量具有很好的實(shí)時(shí)性。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，超聲波溫度測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量分辨率優(yōu)于0.001℃的高精度溫度測(cè)量。

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張興紅（1970-），男，重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)，zxh@cqut.edu.cn；

陳鑫（1990-），女，重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心碩士研究生，主要研究方向測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器，ava1307@163.com。

The Study of A High-Precision Split Ultrasonic Temperature Measuring Instrument*

ZHANG Xinghong*，CHEN Xin，JIANG Hongqing，HE Tao
（Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment；Chongqing Key Laboratory of Time-grating Sensing and Advanced Testing Technology，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

Traditional temperature measurement instruments cannot assure the stability of high precision in wide measurement range，a high-precision split ultrasonic temperature measuring instrument is designed aiming to solve the defects.The ultrasonic temperature measurement technology is introduced.The material stored in vessel is used as the medium of ultrasonic propagation.The medium's temperature is measured indirectly by measuring the propagation time of ultrasonic wave when the propagation distance is certain.The structure of split and multichannel type is helpful to make the measuring result more accurate and reliable.The special structure can lower requirements of material resistance to high temperature and corrosion.The fast data processing circuit based on the FPGA and subdivision interpolation algorithm can ensure the measurement resolution of propagation time achieve nanosecond level.The ultrasonic thermometer can realize high precision temperature measurement with the resolution better than 0.001℃.

precision measurement；ultrasonic temperature measurement；split type；subdivision interpolation

TP216

A

1004-1699（2015）09-1389-06

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275551）；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（cstc2012jjA70004，cstc2012jjA40062）；重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YCX2014222）

2015-04-27修改日期:2015-06-22