高精度超声波液体测温系统_张兴红.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：重庆理工大学研究生创新项目（）作者简介：张兴红，男，博士，教授，主要从事计算机辅助技术、智能检测与传感器技术、现代超声波精密测试技术研究，-：；任丽汾，女，硕士研究生，主要从事现代超声波精密测试技术、智能检测与传感器技术研究，-：。本文引用格式：张兴红，任丽汾 高精度超声波液体测温系统 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，-（），（）：（）高精度超声波液体测温系统张兴红，任丽汾（重庆理工大学 两江国际学院，重庆 ）摘要：设计了一种针对液体介质的超声波测温系统，实现对液体温度的快速、高精度的测量。提出了一种优化阈值比较法，在传统阈值比较法的基础上，对信号的脉冲宽度进行判定，以便更精准地确定超声波传播的终点时刻，同时采用基于抽头延迟链的 结构设计提高时间测量的分辨率，通过建立超声波传播速度与液体温度之间的关系来实现温度的精准测量。实验结果表明：系统可以达到 的时间测量分辨率，平均测量误差为 ，实现分辨率 的温度测量，相比传统温度计具有更快的响应速度和更高的灵敏度。关键词：超声波测温；时间测量；高精度中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言温度不仅反映物质的冷热程度，也反映分子热运动的剧烈程度，物质的很多特性都会随温度的高低而发生变化。因此，在生化反应和生化分析领域，高精度、高灵敏度的温度测量系统不可或缺。而热电偶、热电阻之类的温度计，其测温原理均基于敏感元件的热电效应，测温过程即敏感元件与被测物质进行充分热交换的过程，这就导致测量结果容易产生温度滞后，影响测温系统的响应速度。测温上限也受敏感元材料的耐高温性约束，无法持续高温测量。而超声波测温技术不仅具有声学温度测量方法的各种优点（温度测量范围宽、响应快、具有较高灵敏度），超声波本身具有的传播方向性好、携带能量集中、穿透性强的特点 ，使得超声波测温方法有更好的抗干扰性，精度更高。因此，对超声波温度测量系统开展研究十分必要。近年来，国内研究方面，张兴红等 基于软件细分插补算法实现了超声波传播时间的高精度测量，利用过零点两侧的采样点，配合 采样和直线拟合技术，实现了纳秒级时间信号测量；之后提出了基于超声波传感器的高精度分体式测温仪 ，采用分体式多通道结构的超声波传感器，从结构上降低随机误差对测量结果造成的影响。刘崎等 设计的超声波测温系统基于宽频带、高接收灵敏度的静电换能器，采用脉冲高压偏置驱动电路得到易于捕捉的回波信号，对系统采集的数据采用分段线性插值的方法进行校准，从而实现精准测温。宋灿 对比了不同发射波形下的超声波传播时间测量值，最终发现采用经过幅度和相位调制后的矩形波可以获得更准确的测量结果，从而实现温度测量。目前研究成果以实现气体介质的超声波温度测量居多 ，针对液体介质的超声波测温系统研究较少。因此，本文在液体介质下展开超声波测温系统的理论分析和实验研究，以更好地满足超声波测温系统的应用需求。超声波测温原理超声波测温技术利用超声波在介质中的传播速度随温度变化而变化的特点实现测温 。由于气体、液体均没有剪切弹性，只有体积弹性，因而在气体和液体介质中声波只能以纵波的形式传播。理想气体声速的表达式为：（）式中：为气体的定压比热与定容比热之比；为气体压强；为气体分子密度；为气体常数；为绝对温度；为分子质量。液体中声速表达式为：（）式中：为液体的绝热压缩系数；为液体密度，二者数值均受温度的影响。由此可以看出，超声波传播速度与温度有直接关系，因此可根据超声波传播速度来确定温度，在距离恒定的情况下将对温度的精准测量转变为对超声波传播时间的精准测量。超声波传播时间的精准测量 确定超声波回波信号的传播终点提出一种优化阈值比较法来确定超声波传播时间的终点时刻。阈值比较法原理如图 所示。由于环境影响和电路设计等因素，超声波探头接收到的回波信号中掺杂着噪声信号，且超声波在传播过程中会发生幅值衰减，导致难以设定合适的阈值来准确判定超声波传播的终点时刻。设置阈值过低，可能在噪声的干扰下提前判定信号传播的终点时刻，造成时间差测量偏小；设置阈值过高，可能会错过发射的第一个超声波对应的传播终点时刻，造成时间差偏大一个正弦波周期。因此对传统的阈值比较法进行优化，在捕捉到超过设定阈值的信号脉冲基础上，测量其脉冲宽度，确保接收信号的质量。当设置的阈值捕捉到第一个波脉冲且脉冲宽度合理，那么将此脉冲作为超声波传播停止信号，否则测量下一个波脉冲。通过对脉冲进行幅值检测和宽度检测来保障回波信号终点检测的精准度。图 阈值比较法原理示意图 时间间隔的精确测量采用基于抽头延迟链的 结构设计来提高超声波信号起始与终点间的时间间隔的测量精度，结构示意图如图 所示。信号作为超声波发射的起始信号，通过延迟单元 进行延迟；信号是超声波传播的停止信号，作为采样的时钟信号在其上升沿对 信号进行采样。每延迟 个单元 采样 次，若 信号经过延迟后为高电平则输出逻辑“”，低电平则输出逻辑“”。最终得到一串由高位到低位表示为“”的二进制编码，其中“”的个数为 ，表示经过了 个延迟单元 。此时超声波传播时间 为：（）由式（）可得，时间测量精度与延迟单元 成正比关系。系统基于 -进行设计，可充分发挥其分辨率高的优势 ，有助于提高超声波测温系统的精度。图 基于抽头延迟链的 结构示意图 超声波液体测温系统结构超声波液体测温系统的结构如图 所示，以 为核心，外围由 个超声波换能器、驱动电路、滤波电路、功率放大电路、时间测量模块、上位机与显示电路、盛水的加热保温装置和高精度数字温度计组成。由驱动电路驱动超声波换能器发射超声波信号 ，同时将 时间测量模块的 信号置为高电平 ，作为超声波传播的起始信号。由于信号在传播过程中会衰减和受环境因素和噪声干扰的影响 ，回波信号相对微弱且含有杂波。当另一端的超声波换能器接收到回波信号后，先后经过滤波电路和功率放大电路。信号经过滤波放大处理后，将达到阈值的波脉冲作为超声波传播的停止信号，即 时间测量模块的 信号 。由 时间测量模块精准计算出 信号和 信号之间的时间间隔，即超声波传播时间，并将数据发送至 ，再由 传送至上位机进行后续的数据处理与分析。图 超声波液体测温系统结构示意图 实验设置以及数据的采集与分析实验装置为某段长 的直型管道，在管道两头的横截面上分别固定 个超声波探头，同时在超声波传播路径上固定 个高精度数字温度计 和 ，测量出的温度数据作为实验的参考温度。将实验装置没入水中。为了验证系统可工作，证明研究方法的可行性，对测量区域进行加热，水温从 变化至 共耗时 ，记录这段时间内系统测量的超声波传播时间，得到 个时间数据。绘制超声波传播时间的数据变化曲线如图 所示。从图 中可以看出，超声波在水中的传播时间受温度影响。刚开始加热时，水温没有显著变化，超声波传播时间稳定不变；持续加热，随着时间流逝，测量区域温度升高，时间测量值显著降低。由于实验设置超声波探头间距离固定，因此可知温度越高，超声波在水中的传播速度越快，符合超声波在介质中传播的一般规律，证明通过测量超声波传播时间计算温度的研究方法是可行和有效的。图 水温从 变化至 时的超声波传播时间对系统测量的精确度进行评估，将水温保持 恒温状态，连续记录 次测量数据，分布状况如图 所示。图 水温为 恒温时测量值的分布状况图 显示，时间测量值最大为 ，最小值为 ，均值为 ，标准差为 。条虚线表示时间测量值的均值 标准差，可以直观地看到除了少数离群点外，超过 的测量值分布在均值 标准差的范围内，且标准差仅为 ，说明测量值分布集中，离散程度较低。对异常值进行剔除处理后，测量数据分布更为集中，大大降低了数据离散程度，曲线波动很小。异常值剔除前后效果对比如图 所示。张兴红，等：高精度超声波液体测温系统图 剔除异常值前后时间测量值分布 剔 除 异 常 值 后 测 量 时 间 的 平 均 值 约 为 ，标准差约为 。将平均值与每次的测量结果进行对比得到测量误差，误差分布曲线如图 所示。图 测量误差分布曲线由于信号间可能存在干扰，以及高频时钟信号抖动、电路元器件老化和环境因素等多方面的影响，在实际测量中，超声波传播时间存在一定的测量误差。尽管在电路设计中加入了滤波电路进行降噪处理，测量误差仍不可避免，需要通过数据处理尽可能降低测量误差。本次实验的测量误差最大为 ，平均测量误差为 ，从图中也可以看出，超过 的测量误差在 范围之内。根据标准误与标准差之间的公式计算得到本次实验的标准误为 ，说明实验获得的数据可靠性较高。?（）式中：为标准差；为样本含量；?为标准误差。综上可知，系统设计满足精准测量超声波传播时间的需求，达到 的时间测量分辨率，测量误差足够小，这对于提高系统测温的精度是必不可少的条件。为了建立更大温度范围内水温与超声波传播时间之间的关系，设计进行如下实验：观察并测量水温从 上升至 时，超声波传播时间随温度变化的情况。测量区域起始温度为 ，将超声波换能器没入水中，然后开始加热，使水温缓慢上升，以便采集更多的实验数据。当水温达到 时停止加热，这个过程中水温每升高，则连续记录 个时间测量值。首先通过肖维勒准则判断这 个时间测量值中是否存在异常值，若有异常值，则予以剔除；再对剩下的若干时间测量值进行算术平均，将此算术平均值作为系统测得的某一温度对应的超声波传播时间。由于实验设置的 个超声波探头之间的距离是固定不变的（为 ），因此可以得到超声波在水中的传播速度随温度的变化曲线，如图 所示。图 超声波传播速度随温度的变化曲线通过与纯水中声速与温度的关系曲线（图 ）对比可知 ，系统测得的超声波传播速度符合声速随温度变化的趋势，超声波传播速度随着温度的升高，先增大再减小，在 左右达到最大值，极值点与理论值相当。由此将系统采集数据与温度进行最小二乘法的多项式曲线拟合，分别进行二次多项式拟合、三次多项式拟合和四次多项式拟合，结果见图 。图 纯水中声速与温度关系曲线图 温度-传播速度二项式拟合结果图 温度-传播速度三项式拟合结果图 温度-传播速度四项式拟合结果可以直观地看出，四项式拟合效果最好，多项表达式更贴近系统测量曲线。计算二次、三次、四次多项式拟合的残差平方和以及 平方的值，从这两项拟合指标来看，同样是四项式拟合优度最佳，对比结果如表 所示。因此，四项式拟合公式（）更能准确反映传播速度与液体介质温度之间的关系。（）通过上述实验可以证明，基于优化的阈值比较法和 时间测量结构的系统设计能够采集高分辨率的时间测量数据，达到 的时间测量分辨率，且测量误差最大不超过 ，能精准测量超声波传播时间。基于高度拟合的超声波传播速度与液体介质温度之间的关系，以及高分辨率的超声波传播时间，可以实现高分辨率的液体介质温度测量，分辨率达到 ，精度优于实验中使用的参考温度计的 精度。表 多项式拟合效果多项式拟合阶残差平方和 将设计的测温系统与参考温度计的性能进行对比分析，对测温区域进行加热，在这个过程中不断记录并保存相同时间刻度下系统测得数据与参考温度计的读数。实验开始前，水温为，当水温达到 时停止加热，整个实验用时 。使用适当的比例将系统测得的超声波传播速度和参考温度计的读数随时间变化的实验数据绘制在同一图上 ，如图 所示。图 超声波传播速度和参考温度计读数随时间变化的关系张兴红，等：高精度超声波液体测温系统从图 中可以发现，在每个温度显著上升的阶段，系统测得的超声波传播速度都与参考温度计读数有着相同的变化趋势，证明了系统测温的有效性和准确性。同时，系统测得的超声波传播速度变化早于参考温度计的读数变化，表明超声波液体测温系统比传统温度计具有更快的响应速度和更高的灵敏度，能更好地反映介质温度的变化。结论基于声学温度测量方法的优越性，设计了一种针对液体介质的超声波测温系统。为了解决超声波传播时间测量精确度不高的问题，对传统的阈值比较法进行优化，确定超声波回波信号的传播终点。采用基于抽头延迟链的 结构设计进行超声波传播时间的精确测量，以 作为系统硬件电路的总控中心，利用超声波在介质中的传播速度随温度变化的特点，建立超声波传播速度与温度之间的关系，实现超声波快速精准测温的目标。为了验证系统测温的有效性和准确性，搭建了基于超声波进行液体温度测量的实验平台，分别在恒温、温度上升和下降的情况下进行实验。实验结果表明，系统实现了对超声波传播时间的精准测量，达到 的时间测量分辨率，平均测量误差为 ；实现了 分辨率的系统测温需求；同时，具有比传统温度计更快的响应速度和更高的灵敏度，能够对液体介质实现快速精准的测温，为超声波测温方法的工业应用提供参考。参考文献：张志忠 基于超声波网络的室内定位系统研究 重庆：理工大学，张兴红，邱磊，何涛，等 反射式超声波温度计设计 仪表技术与传感器，（）：张兴红，陈鑫，蒋洪庆，等 高精度分体式超声波温度测量仪研究 传感技术学报，（）：刘崎，王洪辉，庹先国，等 基于静电换能器的超声波测温系统设计 中国测试，（）：宋灿 超声波幅相调制法气体介质温度测量系统研究 北京：华北电力大学，顾卫杰，王超徽，王月明，等 基于超声波测量气体温度研究 传感器与微系统，（）：，王加祥，曹闹昌，王瑛 用门延迟法提高超声波流量计的测量精度 自动化与仪表，（）：高岩峰 基于 -与相关法高精度超声波流量计的研制 杭州：中国计量大学，谢永超，杨利，严俊 基于嵌入式系统 的超声波介质传输速度测试系统的设计 计算机测量与控制，（）：张敏敏 高精度测量系统中的 研究与设计 上海：上海交通大学，陈海霞，林书玉 超声在液体中的非线性传播及反常衰减 物理学报，（）：李瑞艳，张春熹，王鹏，等 基于 -的脉冲激光测距系统设计 半导体光电，（）：王梓萍 基于 的高精度时间间隔测量的探究与应用 北京：中国科学院大学，冯若 超声手册 南京：南京大学出版社，-，：-，（，）：-，：；（责任编辑杨黎丽）张兴红，等：高精度超声波液体测温系统