基于超声波技术的温度传感器设计.docx

基于超声波技术的温度传感器设计张天恒1 ，凌 旭2 ，张兴红1(1． 重庆理工大学，机械检测技术与装备教育部工程研究中心，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆400054 基于超声波技术的温度传感器设计 张天恒1 ，凌 旭2 ，张兴红1 (1． 重庆理工大学，机械检测技术与装备教育部工程研究中心，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054; 2． 湖南天雁机械有限责任公司，湖南衡阳 421005) 摘要:超声波检测技术的运用，使温度测量具有速度快、准确及测量范围大等优点。利用超声波在介质中的传播速度 随温度变化而变化的特性，以带有 NIOS 软核的 FPGA 作为硬件电路控制核心，实现高速实时的数据采集，同时采用软件 细分插补算法，实现超声波传播时间的精确测量。经过理论推导和实验，设计的超声波温度传感器能够实现高精度高分 辨率的温度测量，传播时间达到 ns 级，分辨率优于 0. 001 ℃ ． 关键词:温度传感器;FPGA;NIOS 软核处理器;细分插补算法 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002 － 1841(2014)08 － 0010 － 04 Design of Temperature Sensor Base on Ultrasonic Technology， ZHANG Tian-heng1 ，LING Xu2 ，ZHANG Xing-hong1 (1． Chongqing University of Technology，Engineering Ｒesearch Center of Mechanical Testing Technology and Equipment， Ministry of Education，Chongqing Key Laboratory of Time-Grating Sensing and Advanced Testing Technology， Chongqing 400054，China;2． Hunan Tyen Machinery Co． ，Ltd. ，Hengyang 421005，China) Abstract:The use of ultrasonic testing technology can make the temperature measurement fast，accurate，with a wide measur- ing range，and etc． Through the use of ultrasonic wave propagation velocity in the medium with the temperature changes in fea- tures，with NIOS soft core of FPGA as the hardware circuit control core to achieve high-speed real-time data acquisition，software subdivision interpolation algorithm was adopted to realize the precise measurement of the ultrasonic propagation time． Through the- oretical derivation and experimental verification，the design of ultrasonic temperature sensor can realize high precision，high resolu- tion temperature measurements，propagation time reach nanosecond，and its resolution is better than that of 0. 001 ℃ ． Key words:ultrasonic temperature sensor;FPGA;NIOS soft core processor;subdivision interpolation algorithm 器。超声波是指频率高于 20 kHz 的机械波，由换能晶片在电压 的激励下发生振动产生，它具有频率高、波长短、绕射现象小， 方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。可使声波的干扰 和反射最小，满足精确测量的要求。 超声波温度传感器以介质本身作为敏感元件，当进行温度 测量时，通过测量超声波在被测介质中的传播速度，即可间接 测得被测介质温度［4］。 超声波在理想的气体中的传播可以认为是绝热过程，其传 播速度 v 为 0 引言 温度是一个基