崔 岢，周新志，白興都

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都 610065)

0 引言

在燃燒、干燥和加熱等工業(yè)領(lǐng)域，溫度場的分布反映了設(shè)備和材料的內(nèi)部狀態(tài)，是非常重要的信息[1]。采用接觸式的測量方式可以測量一個(gè)點(diǎn)的溫度，但對一個(gè)面甚至一個(gè)空間的溫度采集還存在許多可以改進(jìn)之處[2]。基于超聲波的非接觸式測溫方法，具有抗干擾性和指向性好、測量范圍廣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)連續(xù)等特點(diǎn)[3-5]，特別適合空間溫度場的測量。

目前對聲波溫度場測量及重建的研究，主要是在對溫度場重建算法的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，實(shí)時(shí)的聲波時(shí)間測量大都為μs級的測量精度[6-8]。提高聲波時(shí)間的測量精度可以有效提高重建溫度場分布梯度的精度，故本文重點(diǎn)研究高精度的聲波溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問題。

1 超聲測溫的基本原理

由波動(dòng)方程和熱力學(xué)方程能夠得出超聲波傳播速度和介質(zhì)溫度的函數(shù)關(guān)系，在空氣中兩者的關(guān)系為[8-10]

(1)

式中：v為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，m/s；R為氣體常數(shù)；γ為氣體的絕熱數(shù)，J / (mol ·K)；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；T為氣體熱力學(xué)的溫度，K。

(2)

式中：在確定的介質(zhì)中Z是固定常數(shù)，空氣中Z的值一般取20.03[1]。

因此，通過測量固定距離聲波傳輸時(shí)間得出聲波的傳輸速度即可確定出該聲波路徑上空氣的溫度。

2 超聲溫度測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)由控制模塊、電源模塊、時(shí)間測量單元(TDC7200)、控制收發(fā)單元及數(shù)據(jù)處理單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超聲溫度測量系統(tǒng)硬件圖

控制模塊由STM32構(gòu)成，控制各個(gè)芯片和與上位機(jī)通訊。TDC7200和TDC1000組合用以測量超聲波的飛行時(shí)間。通過TDC1000完成超聲波探頭收發(fā)配置(放大、整形等)，采用TDC7200進(jìn)行時(shí)間測量(1 ns精度)。以TDC1000為核心配合復(fù)用芯片和升壓電路組成控制收發(fā)單元選擇驅(qū)動(dòng)超聲波收發(fā)器。采用串口將收到的時(shí)間數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)即數(shù)據(jù)處理單元，通過上位機(jī)完成測量數(shù)據(jù)的篩選處理與溫度場重建。

2.1 時(shí)間測量單元

測溫系統(tǒng)的時(shí)間測量單元以TDC7200為核心實(shí)現(xiàn)高分辨率時(shí)間的測量。TDC7200每次可以測量5個(gè)停止脈沖，顯著提高數(shù)據(jù)的采集效率。而且，TDC7200有兩種測量模式，測量范圍分別為0.012～0.5 ms 和0.25～8 ms，分辨率為55 ps，功耗為0.5 μA[11]。本測量系統(tǒng)的時(shí)間間隔在3～6 ms之間，故采用模式2工作方式。

在此模式下，芯片內(nèi)部振蕩器和外部的時(shí)鐘都參與工作，內(nèi)部的振蕩器進(jìn)行精確的時(shí)間測量，而外部的時(shí)鐘進(jìn)行比較粗略的時(shí)間測量。TDC7200在模式2下工作時(shí)序如圖2所示，在start脈沖的上升沿到達(dá)時(shí)內(nèi)部振蕩器開始計(jì)時(shí)，在隨后的時(shí)鐘上升沿來臨時(shí)關(guān)閉振蕩器同時(shí)外部的時(shí)鐘開始計(jì)時(shí)，接收到stop信號后，內(nèi)部振蕩器重新開始計(jì)時(shí)，對stop脈沖上升沿和隨后的第一個(gè)外部時(shí)鐘的上升沿之間的時(shí)間段進(jìn)行計(jì)時(shí)[12]。TDC7200外圍電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 TDC7200模式2的工作時(shí)序圖

圖3 TDC7200外圍電路設(shè)計(jì)

2.2 控制收發(fā)單元

系統(tǒng)采用40 kHz超聲波進(jìn)行溫度測量。驅(qū)動(dòng)單元以TDC1000為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。TDC1000中有2個(gè)可以自動(dòng)切換的超聲波測量通道，可以驅(qū)動(dòng)頻率為31.25 kHz到4 MHz的超聲波換能器。同時(shí)其內(nèi)部集成了低噪聲放大器和可編程的增益放大器，增益分別可達(dá)20 dB和21 dB。采用TDC1000控制超聲波接發(fā)，可以滿足系統(tǒng)對微弱回波的檢測和放大。因此相比常規(guī)的超聲波控制收發(fā)電路更加簡單可靠[10]，測量范圍更大。

采用5 V的電壓直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器收發(fā)的波形幅度值很低，很容易受到雜波影響導(dǎo)致測量出現(xiàn)很大的誤差。因此，本系統(tǒng)將電壓提升到30 V來驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，促使收發(fā)波形增強(qiáng)并極大地提高了測量的精度和準(zhǔn)確率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示，包含系統(tǒng)初始化，I/O口初始化，初始化時(shí)間測量與超聲收發(fā)單元，數(shù)據(jù)處理和溫度場重建等。

圖4 超聲溫度場測量流程

上位機(jī)發(fā)出啟動(dòng)指令后，TDC1000根據(jù)控制器發(fā)出的指令，發(fā)出超聲波激勵(lì)信號，同時(shí)將起始的脈沖信號發(fā)送給TDC7200，單片機(jī)接收到足夠的時(shí)間數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行溫度重建。

4 系統(tǒng)校正

溫度場重建會(huì)受到很多因素的影響，對于每條路徑的時(shí)間測量精度也會(huì)受到很多因素影響，如實(shí)際的安裝距離、氣體的縱向流動(dòng)和橫向流動(dòng)、探頭的朝向、雜波的干擾等[13-16]。本系統(tǒng)對影響因素提出了相應(yīng)的解決方法。

(1)兩個(gè)超聲傳感器之間的安裝距離難以精確確定，會(huì)對聲波的速度計(jì)算帶來一定的誤差。因此在均勻溫度場中需要對超聲法溫度場測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，以記錄測量時(shí)間與理論時(shí)間的偏移量。當(dāng)溫度場變化時(shí)，將偏移量疊加到測量的時(shí)間上。

(2)考慮空氣會(huì)因溫度升高而擴(kuò)散從而導(dǎo)致氣體橫向流動(dòng)，因此系統(tǒng)中通過測量一條路徑上的正向傳播時(shí)間與反向時(shí)間取平均，這樣可以有效降低氣體橫向擴(kuò)散帶來的影響，即：

Tofk=(Tof正向+Tof反向)/2

(3)

式中Tofk表示第k條路徑。

(3)實(shí)際測量時(shí)氣體縱向流動(dòng)將導(dǎo)致超聲信號幅度增加，如圖5所示，產(chǎn)生的stop信號也由stop1移動(dòng)到stop2。考慮測量系統(tǒng)超聲波頻率為40 kHz，故stop1與stop2時(shí)間差為25 μs，通過時(shí)間平移即可抵消氣體縱向流動(dòng)對時(shí)間測量產(chǎn)生的影響。

圖5 氣體縱向流動(dòng)對stop信號影響

(4)考慮不同路徑超聲波探頭的朝向不同，接收信號強(qiáng)度不同，因而需設(shè)置不同的門限值以提高測量的準(zhǔn)確率。

5 系統(tǒng)測試

超聲溫度場重建探頭與路徑布置種類很多，采用其中一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測試，布置方式如圖6所示，其中黑點(diǎn)表示探頭位置，組成12條路徑用于溫度場重建。圖7為實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)物布置圖，采用電爐做為熱源，在1.2 m×1.2 m的二維平面進(jìn)行溫度場重建。

圖6 探頭與路徑圖

圖7 實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)物布置圖

單路靜態(tài)時(shí)測量100組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)靜態(tài)調(diào)整前后對比見表1，調(diào)整后標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在250 ns左右。圖8為其中一組的數(shù)據(jù)，可以看出100組數(shù)據(jù)大部分都在3.576 7 ms左右，通過初步處理后采集的時(shí)間數(shù)據(jù)，平均值為3 576 741.30 ns，100組的標(biāo)準(zhǔn)差為254.31 ns，所測試的距離為1.2 m，溫度約為13 ℃。

表1 單路徑靜態(tài)調(diào)整前后對比 ns

圖8 初步篩選后的數(shù)據(jù)

用MTALAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的篩選處理，采用最小二乘算法加插值進(jìn)行溫度場重建，由圖9和圖10可以看出通過測量與重建可以準(zhǔn)確反映出溫度趨勢，當(dāng)熱源位置變化時(shí)能夠通過重建出的溫度場反映溫度場的變化。選取溫度場中5個(gè)點(diǎn)用DS18B20采集出實(shí)際的溫度，與重建出的對應(yīng)點(diǎn)溫度對比，見表2與表3。

圖9 熱源中心的溫度場

測試點(diǎn)重建溫度/K實(shí)測溫度/K差值/K相對誤差/%1289.45291.0-1.550.53262293.94293.90.040.01363312.32312.30.020.00644310.70312.4-1.700.54425289.48291.1-1.620.5565

圖10 熱源偏置中熱的溫度場

測試點(diǎn)重建溫度/K實(shí)測溫度/K差值/K相對誤差/%1288.82290.8-1.980.68092304.75301.92.850.94403300.42298.51.920.64324298.34295.82.540.85875291.33291.8-0.470.1611

6 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了高分辨率超聲溫度場測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其聲波傳播時(shí)間測量達(dá)到ns的精度。由于整個(gè)系統(tǒng)高度集成，測量單組數(shù)據(jù)耗時(shí)約10 ms，能夠高效、穩(wěn)定地完成溫度場測量。通過對影響聲波傳播的因素分析，在系統(tǒng)中實(shí)施了相應(yīng)的修正方法，有效地提高了時(shí)間測量的準(zhǔn)確率與精度，為空間溫度場的重建提供了有效的測量數(shù)據(jù)。