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摘 要

超声波温度测量系统是基于固，液，气三种形态下温度与声速的关系。在多种形态中声速基本上随温度的改变而改变，温度较高时，声速在固体中的变化最大，温度较低时，声速在气体中变化最大。该文章正是利用此特点，设计出了超声波温度传感器，把温度传感器放置在需要测量的环境下，便能通过超声波传播速度和温度之间的关系进行温度的测量。温度传感器包括管体、超声波换能器，和管体里面的传播介质。

测量仪的信号处理是以 FPGA 为核心，在 FPGA 上利用精确控制算法以及优化的采集算法，采集到超声波的有效信号，为超声波传播时间的高精度测量奠定了硬件测量基础；并通过 FPGA 片，构建了 NIOS_II 软核处理器，实现了高精度超声波测温的有关软件算法以及ns级传播时间测量的细分插值算法，在同一芯片上完成了超声波温度测量仪的大部分算法与功能。

关键词：超声波 温度测量 高精度测量

Ultrasonic Temperature Measurement System with High Precision

Abstract

The principle of the ultrasonic temperature sensor is based on the relationship between temperature and wave velocity in the medium, such as solid, liquid and gas.Basically in many cases, the speed of sound changes with temperature,such as,at higher temperatures, the rate of speed of sound is the highest in the solid, at lower temperatures, the rate of speed of sound is the highest in the gas. In this paper the ultrasonic temperature sensor are designed with the relationship. When the sensor is in the situation that need to be measured, can the temperature be measured by using the relationship of velocity and temperature.This temperature sensor consists of pipe,ultrasonic transducer and propagation medium in pipe.

The signal processing of the measuring instrument is based on FPGA.A valid signal of ultrasound can be collected by using accurate control algorithms and optimized collection algorithm in FPGA.As a result the hard ware is built up for the precision measurement of the ultrasonic propagation time. The design accomplishes the precision measurement of ultrasonic propagation time according to the related software algorithm based on NIOS_II soft core processor on FPGA chip, and mostly functions and algorithms are achieved in the chip.

Key Word:Ultrasonic, temperature measurement ,precision measurements

目录

摘要 I

第一章 引言 1

1.1超声波的定义 1

1.2 温度传感器 1

1.3 常用温度传感器 2

1.3.1 接触式温度传感器  2

1.3.2  非接触式温度传感器  3

1.4 新型温度传感器的研究与发展 3

1.4.1 温度测量的最新进展 3

1.4.2 光导纤维传感器 4

1.4.3 石英温度计 4

1.4.4 热噪声温度计 4

1.4.5 声学温度计 4

1.5 超声波测温技术的发展 5

1.5.1 国外超声波测温技术发展 5

1.5.2 国内超声波测温技术发展 6

1.6 设计目的与目标 6

1.7 发展前景和用途 7

2.1 超声波的测温原理 9

2.2超声波温度测量仪的工作原理 10

2.3 测量仪的高速硬件电路的构建 11

2.4　高精度测量的实现 12

2.5　高精度超声波温度测量仪传播时间的测量 13

2.6 分辨率的计算 15

3.1 温度传感器的构建 18

3.2 硬件电路的设计 18

3.2.1 激励信号电路设计 18

3.2.2 采集信号电路设计 19

第四章 研究实验 21

4.1 信号的接发试验 21

4.2 信号的采集试验 22

4.3 分辨率试验 22

第五章 小结 25

5.1 总结 25

5.2 声波测温的发展前景 25

参考文献 27

致 谢 29

第一章 引言

1.1超声波的定义

人耳能收到的声波频率约为20～20000Hz，当大于20000Hz时，人的耳朵就收集不到这个信号。因为超声波的最低频率刚好是人类听觉能接受信号的最高频率，所以超声波因此而得名。

1.2 温度传感器

温度是生活中最常见的一种物理量，日常生产生活中都离不开温度的影响。用分子理论来说就是大量分子在做无规则的剧烈运动，温度就是分子之间不停的碰撞而产生的。碰撞越激烈温度同样的会变得越高。基本上的化学反应物理实验都需要对温度进行控制，足以证明，温度对生活以及科学发现有着重大的意义，这也是为什么各国专家极力开发先进的温度传感器的原因之一。很明显的，温度传感器也同样的占据了大半个传感器市场，也是最早被发现并且研发出来造福人类的一类传感器，也是目前最被为广泛使用的。

在所有的测量项目里面，对于温度的测量应该是比较常见也比较普通的吧，在任何领域内，如果能够测得准确的温度值，并且知道温度和实际情况的不同，都将有着不同凡响的意义，举个例子吧，对力进行测量、电平高低的测量过程中，为了得到更为精准的数据，一般都需要进行实时掌控温度的细微变化，举个小例子吧，试验中一般是通用电阻电桥来进行压力的检测，可是呢，电阻的大小又会因为温度的不同而有所差异，所以电阻值可能会因为温度的改变而不定，就容易产生误差，大体上由压力引起的电阻值变化可能还会小于因为温度变化电阻发生变化的值。所以要是不控制温度变化的话，那么实验将会是无功而返，得不到准确的实验数据，甚至实验因为温度变化而完全不能进行下去。同样的，对于其他参数的测量也和上述中压力的测量一个道理，也就是，大多数的物理量都和温度有着线性关系，所以需要实时控制温度的变化以便获得更加准确的实验结果。

1.3 常用温度传感器

1.3.1 接触式温度传感器 

1. 热电偶： 

（1）测温原理: 

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