基于超声波技术的研究

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1、基于超声波技术的研究时，会在棒中引起磁场强度的变化。这种效应就是磁致伸缩逆效应，也称为Villari效应。逆效应可用来接收超声波信号。1.2超声波特性超声波不仅能在常温下传播，而且能在超过±3000℃的高低温下传播，在理论上讲利用超声波测温是不受温度高低限制的；在许多固体中，声速一般随温度的变化而变化，尤其是在高温时固体中的声速变化率较大；超声波频率很高，在测量中可有效避免混入噪声，使测量精度显著提高，而且超声波的指向性好，可使声波的干扰和反射最小，满足精确测量的要求。因此，有必要利用超声波技术研究高精度的超声波温度传感器。1.3工作

2、原理图1所示是利用磁致伸缩效应产生超声波进行温度测量的工作原理图。根据磁致伸缩效应原理，将脉冲信号加到脉冲激发线圈2时，在圆柱形磁致伸缩棒4上产生超声波信号，超声波信号进入插在待测环境中的金属探棒5，由于声阻抗的突然变化，导致发生部分反射，而透过的部分沿金属棒继续前进，在终点再次发生部分反射，反射回来的超声波信号在到达起点界面时，又发生部分反射、部分透过，根据磁致伸缩的逆效应，在金属棒起点及终点发射回来的超声波信号，由超声接收线圈3接收，测量出两次所接收到超声波信号的时间差就可以得到声速，从而可计算出被测环境的温度值。2系统实现2.1

3、硬件电路实现通过中央处理器（CPU）控制现场可编程门阵列（FPGA）产生脉冲信号，经数模转换（D/A）并进行放大后输入脉冲激发线圈，从而产生超声波，当经过金属探棒起止截面时反射回来超声波信号，由超声波接收线圈接收，经放大电路、滤波电路后，再进行模数转换（A/D），从而传送给FPGA并最终由CPU进行数据处理，计算出温度值后，送到显示端进行显示。系统硬件功能如图2所示。2.2软件程序实现测温系统软件部分主要包括主程序、脉冲发射子程序、超声波信号接收子程序、数据计算处理子程序以及结果显示子程序，如图3。系统上电即自动进行初始化，触发开始测

4、温信号后，由FPGA产生脉冲信号如图4所示；信号发送完毕后，开始接收超声波信号，反射回波信号如图5所示，接收完毕后由CPU进行数据处理并输出到显示屏。3数据处理由FPGA采集超声波在金属探棒两端的反射信号时间T1、T2，并由CPU求得时间差：△T=T2-T1而金属探棒长度L已知，则可求得当前图2：超声信号产生及接收框图图3：超声测温流程图温度下的声速：再由声速与温度关系可得当前温度值。4结论当超声波在固体介质中的传播时，其波速会受到固体介质温度的影响，当介质所在环境的温度不同时超声波的波速也会不同。因此，可以根据超声波在固体介质中的传

5、播时间来计算测得当前温度。通过磁致伸缩效应产生及接收超声波信号，并由FPGA进行高速采集处理，达到对温度的精确测量。该测量方法电路简单，并能根据测量环境的不同进行金属探棒的选取，因此可用于当前绝大多数条件下的温度测量。可以对温度进行较为准确的测量。