基于靜電換能器的超聲波測溫系統設計

劉 崎，王洪輝，庹先國，李 鄢，聶東林，張 濤

（1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059；2.四川理工學院，四川 自貢 643000）

基于靜電換能器的超聲波測溫系統設計

劉 崎1，王洪輝1，庹先國2，李 鄢1，聶東林1，張 濤1

（1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059；2.四川理工學院，四川 自貢 643000）

針對超聲波測量技術存在難以準確捕捉回波前沿起點的問題，設計基于寬頻帶、高接收靈敏度的靜電換能器的超聲測溫系統，配合脈沖高壓偏置驅動電路，得到前沿明顯且易捕捉的回波信號；設計石英玻璃超聲波傳遞通道，采用閾值檢測法和鉗位電路設計防誤觸發回波處理電路，提高系統的穩定性；選用高主頻單片機STM32F407準確測量超聲波傳遞時間，再以分段線性插值法對系統測溫值進行標定。在恒溫箱10～58℃的溫度范圍內將系統測溫數據與高精度測溫計TSIC506的測溫值對比，實驗結果表明系統可實現精準測溫。

超聲波測溫；回波前沿；分段線性插值；靜電換能器；STM32F407

0 引 言

溫度是描述物質狀態的重要參數，其測量在國防軍事、工業生產、地質勘探、地質災害監測等領域具有顯著的作用。超聲波測溫技術是利用超聲波在介質中的波速與介質溫度之間的關系來實現測溫[1-2]，與傳統測溫技術相比，其具有靈敏度高，測溫范圍廣[3]，可用于極端特殊測溫場合[4]等優點。

精準地測出超聲波的傳遞時間是超聲波測溫技術的關鍵[5]。目前采用脈沖回波測量超聲波傳遞時間的常用方法有閾值法、互相關法[6]。其中互相關法的測量精度高，但其以采樣數據作為參考信號，運算處理的數據量過大，對處理器和存儲器的要求較高[7]。閾值法簡單實用，實時性好，但采用壓電式換能器在發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，甚至被噪聲淹沒，需經歷一段起振過程才能使回波幅度達到可被檢測的量級，即使提高放大電路的放大倍數，噪聲也會被隨之放大，導致閾值法存在回波前沿起點難以確定的問題[6，8-9]。

本文提出了基于靜電換能器的氣體介質超聲波測溫系統，配合設計的脈沖高壓偏置驅動電路，可得到起振迅速的回波信號，且回波信號前沿的信噪比高，將回波信號放大后，通過設定合適的閾值電壓，即可精確捕捉到回波前沿，避免使用復雜的算法對波形進行大量的運算處理，降低了處理器的要求。

1 系統測溫原理

1.1 超聲波測溫原理

超聲波波速的測量精度與測溫精度密切相關。

由文獻[8]可知溫度與波速的關系為

式中：γ——比熱比；

M——氣體的摩爾質量；

R——理想氣體普適常數；

T——氣體絕對溫度；

t——超聲波傳遞時間；

L——超聲波傳遞距離。

1.2 超聲波傳遞時間測量

超聲波的傳遞時間就是發射信號與接收到回波信號之間的時間間隔[10]，而發射信號時間點由系統確定，因此回波信號時間點的測定成為系統的關鍵。

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

圖1 回波信號及觸發波形

超聲波傳遞時間的測量方法如圖2所示，CH1通道是超聲波發射及回波信號，CH2通道是RS觸發器輸出的高電平脈寬信號，以脈沖驅動信號觸發RS觸發器的置位端作為起始點，回波信號的首個前沿波作為終止點并復位RS觸發器，最終RS觸發器輸出的高電平脈寬值即為超聲波的傳遞時間，通過單片機定時器的捕獲模式即可測得脈寬值。

圖2 超聲波傳遞時間確定方法圖

2 系統硬件電路設計

圖3 超聲波測溫系統結構圖

2.1 系統總體結構

本超聲波測溫系統結構如圖3所示。本系統主要由超聲波傳遞通道、驅動電路、放大電路、閾值檢測電路、STM32F407單片機及顯示電路組成，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的空氣介質組成，其中超聲波換能器同時作為發射器和接收器。

在每個測量周期開始，超聲波驅動電路產生驅動信號激勵換能器將電信號轉化為聲信號發射出超聲波的同時，驅動信號將RS觸發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間的起始點。超聲波發射后經過傳遞通道底部反射回來撞擊換能器，并將聲信號轉化為電信號產生了回波信號，放大電路將回波信號的前幾個振蕩周期信號放大至飽和，回波信號的幅度超過閾值檢測電路的閾值電壓后觸發RS觸發器的復位端，使其輸出電平由高變低，RS觸發器輸出的高電平脈寬即為超聲波傳遞時間，用STM32F407單片機定時器的捕獲模式即可測出脈寬值，再通過算法即可計算出溫度并用液晶顯示出來后，接著繼續發射下一個超聲波。

2.2 超聲波傳遞通道

整個超聲傳遞通道采用石英玻璃結構，將換能器牢牢地安裝在通道一側，用SMA連接器將換能器的兩個端子引出，通過同軸電纜將信號輸出到測量電路。常見金屬的熱膨脹系數為（10～20）×10-6/℃[11]，而石英玻璃的熱膨脹系數僅為（5.3～5.8）×10-7/℃，本系統利用了石英玻璃熱膨脹系數小的優點，使系統可有效避免環境溫度、壓力及振動等外界條件使通道長度發生改變，進而導致測量誤差；此外，石英玻璃還有長時間耐高溫高壓、耐驟冷驟熱、高耐腐的優點，除了氫氟酸以外的其他無機溶劑，其幾乎都不受影響，以此提高了系統的穩定性和準確度。

2.3 換能器及驅動電路

換能器性能的優劣直接決定了回波信號的信噪比，進而影響信息的有效提取[12]。目前超聲測溫技術大多采用壓電換能器，其結構簡單，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具有較平的幅度響應和線性、相位響應，便于傳送窄脈沖信號，有較高的時域分辨率[13]，且可簡化驅動電路的設計。系統選用儀表級靜電換能器，其頻帶范圍從20～100kHz，最高接收靈敏度達-22 dB，可提供快速、低抖動、高保真的響應。經估算，該換能器的自諧振頻率為2MHz左右，遠大于系統的50kHz驅動頻率，因此可避免其自諧振帶來的干擾。

靜電換能器可看作容值為400～500 pF左右的電容，其中一個極板固定，而另一個極板（金屬振膜）是可移動的，將換能器串聯一個電阻并接上150 V直流偏置高壓。每個測量周期開始，圖4所示的驅動電路產生一個脈寬10μs，幅度15V的脈沖驅動信號作用于靜電換能器，使已充電換能器的兩極板之間產生如下式所示的相互作用力：

式中：ε——相對介電常數；

U——脈沖信號電壓；

S——極板面積；

d——極板間距。

作用力使振膜發生振動，將電能轉換為機械能，進而發射出超聲波信號。同時，驅動信號將RS觸發器的置位端置為高電平，作為超聲波傳遞時間的起始點。

圖4 驅動電路圖

150V直流偏置高壓是通過圖5所示的電路產生的。電路利用電感充電時突然斷電會產生反向高壓的特性，配合LT1072開關穩壓器SW引腳輸出的重復頻率為40kHz的脈沖信號，使Q3管處于連續開、關狀態，電感始終處于充電和斷電狀態，LT1072的內部有一個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產生150 V直流高壓。

圖5 150V直流高壓產生電路

圖6 閾值檢測電路

2.4 回波處理電路

超聲波經過通道底部反彈并撞擊超聲波換能器，將超聲波的能量轉為機械能，極板振動使換能器的電容量發生改變，進而引起串聯電阻兩端電壓發生變化而產生回波信號，回波經過放大電路放大后再經過如圖6所示的閾值檢測電路，當被放大后的回波信號幅度大于閾值電壓，閾值檢測電路的輸出就會觸發RS觸發器復位，以此作為超聲波傳遞過程的終止點。通過設計合適的放大倍數和比較器反相端的閾值電壓，既可保證回波信號準確地觸發，又能使噪聲幅度不會超過閾值電壓，以此保證了系統的準確測量。

驅動信號激勵換能器的同時會經過閾值檢測電路使RS觸發器立即復位，這樣會導致無法測量，為了保證系統工作時序的準確控制，系統設計了一個防誤觸發電路，每個周期開始，單穩態芯片LTC6993-1輸出持續時間為665 μs的低電平信號將閾值檢測電路的輸出鉗位，使閾值檢測電路在此期間不會因驅動信號或偶然的干擾諧波而導致誤觸發。

3 系統軟件設計

系統選用基于Cortex-M4內核的STM32F407單片機，其內嵌FPU指令，主頻高達168 MHz，處理能力可達210DMIPS，遠遠高于市場上的普通單片機，內嵌1MB容量的Flash，擁有2個32位和12個16位的定時器，因此可以出色地完成對超聲波傳遞時間的測量。系統的超聲波測溫流程圖如圖7所示。

單片機在測量時先初始化各外設，將參考數據存入Flash中，開啟定時器中斷分別先捕獲上升沿和下降沿，并分別得到初始時間tstart和tend，超聲波傳遞時間tu=tend-tstart。將10次傳遞時間測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算溫度值，最終將溫度值用液晶顯示出來。

圖7 系統測溫流程圖

4 超聲波測溫實驗及結果分析

4.1 系統測溫標定及溫度測量

由于不同環境空氣介質中的成分及密度等參數大不相同，直接由速度方程和熱力學方程計算得到的溫度值往往與實際溫度值相差較大，因此需要將系統測溫值標定。

考慮到電信號在電路中的延遲效應帶來的時間差，在測量前，先用RS觸發器輸出指定脈寬的方波來標定STM32測量的脈寬值。再將系統的傳遞通道置于恒溫箱內，把高精度測溫計TSIC506（分辨率0.034℃，5～45℃范圍內的精度±0.07℃）放置在測量通道正中央的內壁并保證其不會影響超聲波的傳遞，將其測得的溫度值作為參考值，每次以3℃步進改變恒溫室內的溫度并保持30min左右以使系統與TSIC506測溫值達到穩定，記錄不同溫度下對應的超聲波傳遞時間數據，最終得到的標定數據如表1所示。

表1 系統測溫標定數據

圖8 實際測量電路

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

圖9 系統測試結果與誤差分析

4.2 系統測試及誤差分析

系統（如圖8）測試在9～58℃的同一恒溫箱內進行，方法與系統標定方法相同，測試結果及誤差分析如圖9所示。由測試結果可看出，本系統在恒溫箱內測溫的絕對誤差在±0.15℃以內，相對誤差在±0.35%以內。

綜合系統設計與實驗結果，分析誤差產生的原因主要有以下4點：

1）由于TSIC506屬于單點測溫，不能反映整個恒溫箱的平均溫度。

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

3）隨著溫度的變化，單片機的晶振會產生溫漂，使頻率穩定性下降，進而導致測量誤差。

4）空氣環境、濕度等因素可能產生誤差。

5 結束語

本文針對采用壓電式換能器難以準確捕捉回波前沿的問題，設計并實現了一種基于靜電式換能器的超聲波測溫系統，配合脈沖高壓偏置驅動電路，得到了前沿幅度高、易準確捕捉的回波信號，解決了閾值法回波前沿起點難以確定的問題；設計的石英玻璃結構傳遞通道，提高了系統的穩定性；通過設計精密的回波處理電路和防誤觸發電路，保證了回波信號準確觸發，提高了系統測量的準確度。采取脈寬測量預先標定和分段線性插值法，提高了系統測量的精確度。進一步將研究數學模型和相關算法，以提高系統的精度及穩定性。

[1]JIA R， XIONG Q， WANG L， et al.Study of ultrasonic thermometry based on ultrasonic time of flight measurement[J].Aip Advances，2016，6（3）：23-33.

[2]PODESTA M D，SUTTON G，UNDERWOOD R，et al.Practical acoustic thermometry with acoustic waveguides[J].International Journal of Thermophysics，2010，31 （8）：1554-1566.

[3]宋燦，劉石，任思源.基于超聲波飛行時間的溫度測量系統實驗研究[J].應用聲學，2015，34（4）：351-357.

[4]王魁漢，吳玉鋒，張廣立.特殊場合下的溫度測量技術[J].上海計量測試，2004，31（1）：8-12.

[5]張天恒，王培懿，張興紅.高精度分體式多通道超聲波溫度計的設計[J].傳感技術學報，2016，29（2）：177-181.

[6]賴國強，石為人，熊慶宇，等.基于回波包絡上升沿擬合的超聲波飛行時間測量方法[J].傳感技術學報，2014（7）：922-927.

[7]王宏江，郭會軍，李軍懷.超聲回波信號包絡相關時延估計優化算法[J].計算機工程與應用，2012，48（20）：154-157.

[8]任思源.超聲法氣體溫度場的TSR算法重建及實驗研究[D].北京：華北電力大學，2015.

[9]JIANG S B， YANG C M， HUANG R S， et al.An innovative ultrasonic time-of-flight measurement method using peak time sequences of different frequencies：Part I[J].IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement，2011，60（3）：735-744.

[10]張興紅，張慧，陳錫侯，等.一種精密測量超聲波傳輸時間的方法[J].北京理工大學學報，2011，31（6）：717-721.

[11]WAN G B， HUANG Z X， SHI M X， et al.Researching of the active and the passive damping of syntactic foam and piezoelectric composite[J].Applied Mechanics&Materials，2013（455）：119-122.

[12]李世平，唐煉，叢健生.疊片型多極子陣列聲波測井儀接收換能器靈敏度分析[J].測井技術，2012，36（6）：620-623.

[13]胡靜，賀西平.穿單孔寬帶夾心式換能器[J].西北大學學報（自然科學版），2008，38（4）：555-559.

（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

國家創新研究群體科學基金（41521002）；成都理工大學骨干教師計劃項目（KYGG201513）

劉 崎（1993-），男，遼寧丹東市人，碩士研究生，專業方向為儀器儀表工程。

王洪輝（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，博士，研究方向為測試計量技術與儀器。