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超声波温度计的实验研究

【摘要】:针对传统的温度测量仪表存在的不足,研制一种测量分辨率优于0.001℃的高精度超声波温度计。该超声波温度计利用超声波的传播速度与介质温度的对应关系来实现温度测量,即通过检测超声波波速的变化来对温度进行精密测量。当超声波传播距离一定时,精密测量超声波在介质中的传播时间就可得出超声波的传播速度,再根据传播速度间接计算出温度值。本文拟在研制一种分辨率优于0.001℃的精密的超声波温度计。通过对超声测温原理进行系统的分析,完成了超声波温度计的设计方案。超声波温度计主要由超声波温度传感器、超声波驱动电路、超声波回波信号处理电路以及接口电路这四部分组成。超声波温度计的具体实现是由硬件电路和软件算法两部分完成。在硬件方面设计了超声波驱动电路、回波信号接收电路和高速的数据采集系统。其中FPGA是整个硬件电路的核心,其主要功能包括:与DDS技术相结合产生超声波驱动信号;与高分辨率的A/D转换电路相结合对超声波回波信号进行高速采样,并将采样数据存储在构建于FPGA内部的RAM存储区内;对RAM存储区内的采样数据进行数据处理。软件算法包括特征波查找算法和软件细分插补算法。特征波查找算法是用来对存储于RAM存储器中的采样数据分析和比较,找出回波信号中幅值最大的特征波。软件细分插补算法对特征波的采样数据进行分析处理,计算出传播时间的终点时刻。采用高分辨率的A/D转换电路和直线插补算法,将硬件电路与软件算法有机结合,保证了对超声波传播时间的精密测量,同时,基于FPGA的硬件电路使得数据能被快速处理,使温度测量具有很好的实时性。经实验验证,超声波传播时间测量精度优于纳秒级,进一步验证了超声波温度计的设计方案,为研制和开发高精度的超声波温度计打下了坚实的基础。

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