劉 崎，王洪輝，庹先國(guó)，李 鄢，聶東林，張 濤

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

基于靜電換能器的超聲波測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 崎1，王洪輝1，庹先國(guó)2，李 鄢1，聶東林1，張 濤1

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

針對(duì)超聲波測(cè)量技術(shù)存在難以準(zhǔn)確捕捉回波前沿起點(diǎn)的問題，設(shè)計(jì)基于寬頻帶、高接收靈敏度的靜電換能器的超聲測(cè)溫系統(tǒng)，配合脈沖高壓偏置驅(qū)動(dòng)電路，得到前沿明顯且易捕捉的回波信號(hào)；設(shè)計(jì)石英玻璃超聲波傳遞通道，采用閾值檢測(cè)法和鉗位電路設(shè)計(jì)防誤觸發(fā)回波處理電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；選用高主頻單片機(jī)STM32F407準(zhǔn)確測(cè)量超聲波傳遞時(shí)間，再以分段線性插值法對(duì)系統(tǒng)測(cè)溫值進(jìn)行標(biāo)定。在恒溫箱10～58℃的溫度范圍內(nèi)將系統(tǒng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與高精度測(cè)溫計(jì)TSIC506的測(cè)溫值對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)溫。

超聲波測(cè)溫；回波前沿；分段線性插值；靜電換能器；STM32F407

0 引 言

溫度是描述物質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)，其測(cè)量在國(guó)防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有顯著的作用。超聲波測(cè)溫技術(shù)是利用超聲波在介質(zhì)中的波速與介質(zhì)溫度之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫[1-2]，與傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)相比，其具有靈敏度高，測(cè)溫范圍廣[3]，可用于極端特殊測(cè)溫場(chǎng)合[4]等優(yōu)點(diǎn)。

精準(zhǔn)地測(cè)出超聲波的傳遞時(shí)間是超聲波測(cè)溫技術(shù)的關(guān)鍵[5]。目前采用脈沖回波測(cè)量超聲波傳遞時(shí)間的常用方法有閾值法、互相關(guān)法[6]。其中互相關(guān)法的測(cè)量精度高，但其以采樣數(shù)據(jù)作為參考信號(hào)，運(yùn)算處理的數(shù)據(jù)量過大，對(duì)處理器和存儲(chǔ)器的要求較高[7]。閾值法簡(jiǎn)單實(shí)用，實(shí)時(shí)性好，但采用壓電式換能器在發(fā)射與接收低頻超聲波的過程中，回波前沿的幅度往往與噪聲的幅度相當(dāng)，甚至被噪聲淹沒，需經(jīng)歷一段起振過程才能使回波幅度達(dá)到可被檢測(cè)的量級(jí)，即使提高放大電路的放大倍數(shù)，噪聲也會(huì)被隨之放大，導(dǎo)致閾值法存在回波前沿起點(diǎn)難以確定的問題[6，8-9]。

本文提出了基于靜電換能器的氣體介質(zhì)超聲波測(cè)溫系統(tǒng)，配合設(shè)計(jì)的脈沖高壓偏置驅(qū)動(dòng)電路，可得到起振迅速的回波信號(hào)，且回波信號(hào)前沿的信噪比高，將回波信號(hào)放大后，通過設(shè)定合適的閾值電壓，即可精確捕捉到回波前沿，避免使用復(fù)雜的算法對(duì)波形進(jìn)行大量的運(yùn)算處理，降低了處理器的要求。

1 系統(tǒng)測(cè)溫原理

1.1 超聲波測(cè)溫原理

超聲波波速的測(cè)量精度與測(cè)溫精度密切相關(guān)。

由文獻(xiàn)[8]可知溫度與波速的關(guān)系為

式中：γ——比熱比；

M——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量；

R——理想氣體普適常數(shù)；

T——?dú)怏w絕對(duì)溫度；

t——超聲波傳遞時(shí)間；

L——超聲波傳遞距離。

1.2 超聲波傳遞時(shí)間測(cè)量

超聲波的傳遞時(shí)間就是發(fā)射信號(hào)與接收到回波信號(hào)之間的時(shí)間間隔[10]，而發(fā)射信號(hào)時(shí)間點(diǎn)由系統(tǒng)確定，因此回波信號(hào)時(shí)間點(diǎn)的測(cè)定成為系統(tǒng)的關(guān)鍵。

系統(tǒng)采用靜電換能器及脈沖高壓偏置驅(qū)動(dòng)電路得到的回波信號(hào)和閾值檢測(cè)電路的觸發(fā)信號(hào)如圖1所示，CH1是經(jīng)放大后的回波信號(hào)，CH2是閾值檢測(cè)電路輸出的觸發(fā)信號(hào)，可以看出被放大后的回波信號(hào)前沿的幅值遠(yuǎn)高于噪聲信號(hào)的幅度，并且由于系統(tǒng)的超聲波傳遞距離固定，反射及接收角度亦固定，閾值檢測(cè)電路可以精確確定回波前沿的首波并輸出觸發(fā)信號(hào)。

圖1 回波信號(hào)及觸發(fā)波形

超聲波傳遞時(shí)間的測(cè)量方法如圖2所示，CH1通道是超聲波發(fā)射及回波信號(hào)，CH2通道是RS觸發(fā)器輸出的高電平脈寬信號(hào)，以脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)觸發(fā)RS觸發(fā)器的置位端作為起始點(diǎn)，回波信號(hào)的首個(gè)前沿波作為終止點(diǎn)并復(fù)位RS觸發(fā)器，最終RS觸發(fā)器輸出的高電平脈寬值即為超聲波的傳遞時(shí)間，通過單片機(jī)定時(shí)器的捕獲模式即可測(cè)得脈寬值。

圖2 超聲波傳遞時(shí)間確定方法圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖3 超聲波測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本超聲波測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。本系統(tǒng)主要由超聲波傳遞通道、驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、閾值檢測(cè)電路、STM32F407單片機(jī)及顯示電路組成，超聲波傳遞通道由超聲波換能器、石英玻璃外殼以及密封在內(nèi)的空氣介質(zhì)組成，其中超聲波換能器同時(shí)作為發(fā)射器和接收器。

在每個(gè)測(cè)量周期開始，超聲波驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)發(fā)射出超聲波的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)將RS觸發(fā)器的置位端置為高電平，使其輸出端的電平由低變高，以此作為超聲波傳遞時(shí)間的起始點(diǎn)。超聲波發(fā)射后經(jīng)過傳遞通道底部反射回來(lái)撞擊換能器，并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)產(chǎn)生了回波信號(hào)，放大電路將回波信號(hào)的前幾個(gè)振蕩周期信號(hào)放大至飽和，回波信號(hào)的幅度超過閾值檢測(cè)電路的閾值電壓后觸發(fā)RS觸發(fā)器的復(fù)位端，使其輸出電平由高變低，RS觸發(fā)器輸出的高電平脈寬即為超聲波傳遞時(shí)間，用STM32F407單片機(jī)定時(shí)器的捕獲模式即可測(cè)出脈寬值，再通過算法即可計(jì)算出溫度并用液晶顯示出來(lái)后，接著繼續(xù)發(fā)射下一個(gè)超聲波。

2.2 超聲波傳遞通道

整個(gè)超聲傳遞通道采用石英玻璃結(jié)構(gòu)，將換能器牢牢地安裝在通道一側(cè)，用SMA連接器將換能器的兩個(gè)端子引出，通過同軸電纜將信號(hào)輸出到測(cè)量電路。常見金屬的熱膨脹系數(shù)為（10～20）×10-6/℃[11]，而石英玻璃的熱膨脹系數(shù)僅為（5.3～5.8）×10-7/℃，本系統(tǒng)利用了石英玻璃熱膨脹系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)可有效避免環(huán)境溫度、壓力及振動(dòng)等外界條件使通道長(zhǎng)度發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差；此外，石英玻璃還有長(zhǎng)時(shí)間耐高溫高壓、耐驟冷驟熱、高耐腐的優(yōu)點(diǎn)，除了氫氟酸以外的其他無(wú)機(jī)溶劑，其幾乎都不受影響，以此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

2.3 換能器及驅(qū)動(dòng)電路

換能器性能的優(yōu)劣直接決定了回波信號(hào)的信噪比，進(jìn)而影響信息的有效提取[12]。目前超聲測(cè)溫技術(shù)大多采用壓電換能器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用廣泛，但其頻帶窄，最大接收靈敏度僅在-70dB左右。而寬頻帶換能器在較寬的頻率范圍內(nèi)具有較平的幅度響應(yīng)和線性、相位響應(yīng)，便于傳送窄脈沖信號(hào)，有較高的時(shí)域分辨率[13]，且可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用儀表級(jí)靜電換能器，其頻帶范圍從20～100kHz，最高接收靈敏度達(dá)-22 dB，可提供快速、低抖動(dòng)、高保真的響應(yīng)。經(jīng)估算，該換能器的自諧振頻率為2MHz左右，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的50kHz驅(qū)動(dòng)頻率，因此可避免其自諧振帶來(lái)的干擾。

靜電換能器可看作容值為400～500 pF左右的電容，其中一個(gè)極板固定，而另一個(gè)極板（金屬振膜）是可移動(dòng)的，將換能器串聯(lián)一個(gè)電阻并接上150 V直流偏置高壓。每個(gè)測(cè)量周期開始，圖4所示的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一個(gè)脈寬10μs，幅度15V的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用于靜電換能器，使已充電換能器的兩極板之間產(chǎn)生如下式所示的相互作用力：

式中：ε——相對(duì)介電常數(shù)；

U——脈沖信號(hào)電壓；

S——極板面積；

d——極板間距。

作用力使振膜發(fā)生振動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，進(jìn)而發(fā)射出超聲波信號(hào)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)將RS觸發(fā)器的置位端置為高電平，作為超聲波傳遞時(shí)間的起始點(diǎn)。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖

150V直流偏置高壓是通過圖5所示的電路產(chǎn)生的。電路利用電感充電時(shí)突然斷電會(huì)產(chǎn)生反向高壓的特性，配合LT1072開關(guān)穩(wěn)壓器SW引腳輸出的重復(fù)頻率為40kHz的脈沖信號(hào)，使Q3管處于連續(xù)開、關(guān)狀態(tài)，電感始終處于充電和斷電狀態(tài)，LT1072的內(nèi)部有一個(gè)增益很高的誤差放大器，利用電阻R21和R22分壓的作用，將分壓值輸入到LT1072的反饋引腳FB，以此在電路的輸出端持續(xù)產(chǎn)生150 V直流高壓。

圖5 150V直流高壓產(chǎn)生電路

圖6 閾值檢測(cè)電路

2.4 回波處理電路

超聲波經(jīng)過通道底部反彈并撞擊超聲波換能器，將超聲波的能量轉(zhuǎn)為機(jī)械能，極板振動(dòng)使換能器的電容量發(fā)生改變，進(jìn)而引起串聯(lián)電阻兩端電壓發(fā)生變化而產(chǎn)生回波信號(hào)，回波經(jīng)過放大電路放大后再經(jīng)過如圖6所示的閾值檢測(cè)電路，當(dāng)被放大后的回波信號(hào)幅度大于閾值電壓，閾值檢測(cè)電路的輸出就會(huì)觸發(fā)RS觸發(fā)器復(fù)位，以此作為超聲波傳遞過程的終止點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)合適的放大倍數(shù)和比較器反相端的閾值電壓，既可保證回波信號(hào)準(zhǔn)確地觸發(fā)，又能使噪聲幅度不會(huì)超過閾值電壓，以此保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確測(cè)量。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)換能器的同時(shí)會(huì)經(jīng)過閾值檢測(cè)電路使RS觸發(fā)器立即復(fù)位，這樣會(huì)導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量，為了保證系統(tǒng)工作時(shí)序的準(zhǔn)確控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)防誤觸發(fā)電路，每個(gè)周期開始，單穩(wěn)態(tài)芯片LTC6993-1輸出持續(xù)時(shí)間為665 μs的低電平信號(hào)將閾值檢測(cè)電路的輸出鉗位，使閾值檢測(cè)電路在此期間不會(huì)因驅(qū)動(dòng)信號(hào)或偶然的干擾諧波而導(dǎo)致誤觸發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407單片機(jī)，其內(nèi)嵌FPU指令，主頻高達(dá)168 MHz，處理能力可達(dá)210DMIPS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市場(chǎng)上的普通單片機(jī)，內(nèi)嵌1MB容量的Flash，擁有2個(gè)32位和12個(gè)16位的定時(shí)器，因此可以出色地完成對(duì)超聲波傳遞時(shí)間的測(cè)量。系統(tǒng)的超聲波測(cè)溫流程圖如圖7所示。

單片機(jī)在測(cè)量時(shí)先初始化各外設(shè)，將參考數(shù)據(jù)存入Flash中，開啟定時(shí)器中斷分別先捕獲上升沿和下降沿，并分別得到初始時(shí)間tstart和tend，超聲波傳遞時(shí)間tu=tend-tstart。將10次傳遞時(shí)間測(cè)量值通過中位值濾波去掉最大值和最小值，并求得平均值后查表計(jì)算溫度值，最終將溫度值用液晶顯示出來(lái)。

圖7 系統(tǒng)測(cè)溫流程圖

4 超聲波測(cè)溫實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)溫標(biāo)定及溫度測(cè)量

由于不同環(huán)境空氣介質(zhì)中的成分及密度等參數(shù)大不相同，直接由速度方程和熱力學(xué)方程計(jì)算得到的溫度值往往與實(shí)際溫度值相差較大，因此需要將系統(tǒng)測(cè)溫值標(biāo)定。

考慮到電信號(hào)在電路中的延遲效應(yīng)帶來(lái)的時(shí)間差，在測(cè)量前，先用RS觸發(fā)器輸出指定脈寬的方波來(lái)標(biāo)定STM32測(cè)量的脈寬值。再將系統(tǒng)的傳遞通道置于恒溫箱內(nèi)，把高精度測(cè)溫計(jì)TSIC506（分辨率0.034℃，5～45℃范圍內(nèi)的精度±0.07℃）放置在測(cè)量通道正中央的內(nèi)壁并保證其不會(huì)影響超聲波的傳遞，將其測(cè)得的溫度值作為參考值，每次以3℃步進(jìn)改變恒溫室內(nèi)的溫度并保持30min左右以使系統(tǒng)與TSIC506測(cè)溫值達(dá)到穩(wěn)定，記錄不同溫度下對(duì)應(yīng)的超聲波傳遞時(shí)間數(shù)據(jù)，最終得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)溫標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖8 實(shí)際測(cè)量電路

溫度與超聲波傳遞時(shí)間在整個(gè)量程范圍內(nèi)并非完全的線性關(guān)系，但溫度相鄰很近的兩點(diǎn)可被認(rèn)為是線性的。所以本文采用分段線性插值法，將表1的數(shù)據(jù)作為參考點(diǎn)，生成一個(gè)溫度值與超聲波傳遞時(shí)間關(guān)系的分度表并存貯于STM32的Flash中。TSIC506在5～45℃溫度范圍內(nèi)的誤差是±0.07℃，當(dāng)相鄰兩個(gè)參考點(diǎn)的誤差分別是0.07℃和-0.07℃時(shí)，系統(tǒng)理論上的測(cè)量誤差最大且為0.14℃；在45～60℃范圍內(nèi)的誤差是0.1℃，理論上最大的測(cè)量誤差同理為0.2℃；因此系統(tǒng)的理論誤差均在允許范圍內(nèi)。系統(tǒng)在每次測(cè)量時(shí)，先判斷測(cè)得的傳遞時(shí)間t在表中所屬分段，再將兩個(gè)參考點(diǎn)（t1，T0+ΔT）和（t2，T0）看作是線性關(guān)系，通過下式即可將溫度值計(jì)算出來(lái)。

圖9 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與誤差分析

4.2 系統(tǒng)測(cè)試及誤差分析

系統(tǒng)（如圖8）測(cè)試在9～58℃的同一恒溫箱內(nèi)進(jìn)行，方法與系統(tǒng)標(biāo)定方法相同，測(cè)試結(jié)果及誤差分析如圖9所示。由測(cè)試結(jié)果可看出，本系統(tǒng)在恒溫箱內(nèi)測(cè)溫的絕對(duì)誤差在±0.15℃以內(nèi)，相對(duì)誤差在±0.35%以內(nèi)。

綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析誤差產(chǎn)生的原因主要有以下4點(diǎn)：

1）由于TSIC506屬于單點(diǎn)測(cè)溫，不能反映整個(gè)恒溫箱的平均溫度。

2）TSIC506在 5～45℃溫度范圍內(nèi)的精度為±0.07℃，存在一定的誤差。

3）隨著溫度的變化，單片機(jī)的晶振會(huì)產(chǎn)生溫漂，使頻率穩(wěn)定性下降，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差。

4）空氣環(huán)境、濕度等因素可能產(chǎn)生誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)采用壓電式換能器難以準(zhǔn)確捕捉回波前沿的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于靜電式換能器的超聲波測(cè)溫系統(tǒng)，配合脈沖高壓偏置驅(qū)動(dòng)電路，得到了前沿幅度高、易準(zhǔn)確捕捉的回波信號(hào)，解決了閾值法回波前沿起點(diǎn)難以確定的問題；設(shè)計(jì)的石英玻璃結(jié)構(gòu)傳遞通道，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過設(shè)計(jì)精密的回波處理電路和防誤觸發(fā)電路，保證了回波信號(hào)準(zhǔn)確觸發(fā)，提高了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度。采取脈寬測(cè)量預(yù)先標(biāo)定和分段線性插值法，提高了系統(tǒng)測(cè)量的精確度。進(jìn)一步將研究數(shù)學(xué)模型和相關(guān)算法，以提高系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。

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（編輯：劉楊）

Design of ultrasonic thermometry system based on electrostatic transducer

LIU Qi1，WANG Honghui1，TUO Xianguo2，LI Yan1，NIE Donglin1，ZHANG Tao1
（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection（Chengdu University of Technology），Chengdu 610059，China；2.Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

To solve the problem that the ultrasonic technology can hardly capture the start point of echo leading edge，an ultrasonic thermometry system based on an electrostatic transducer with wide band and high receive sensitivity is designed.With a pulse high voltage drive circuit，it captures an easily captured echo signal with obvious leading edge.An ultrasonic wave transmission path with quartz glass material is designed and threshold detection method and clamping circuit are used to design a miss-trigger prevention echo processing circuit to improve the system’s stability.A high frequency MCU of STM32F407 is selected to measure the ultrasonic transmission time accurately and the piecewise linear interpolation method is used to calibrate the value of system thermometry.By contrasting the measured value of the system with the measured value of highprecision temperature measuring meter TSIC506 in a Calorstat with temperature range of 10-58℃，the results show that the system can measure the temperature accurately.

ultrasonic thermometry；echo leading edge；piecewise linear interpolation；electrostatic transducer；STM32F407

A

1674-5124（2017）04-0068-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.015

2016-09-15；

2016-11-18

國(guó)家創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金（41521002）；成都理工大學(xué)骨干教師計(jì)劃項(xiàng)目（KYGG201513）

劉 崎（1993-），男，遼寧丹東市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閮x器儀表工程。

王洪輝（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，博士，研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器。