一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法技术领域
本发明一种温度测量方法，涉及一种基于超声波测温装置的飞渡时间测量
方法。
背景技术
现有的测温方法主要分为两种，一种是接触式，一种是非接触式。接触式
测量需要足够长时间的接触达到热平衡，这种方法往往要要破坏被检测物体的
热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用。因此，对感温元件的结构、性能要求
苛刻，这种方法不适用于高温环境中温度的测量。非接触式测量温度的特点是：
不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，这种方法测温比较优越。
超声测温技术是利用超声波在空气中的传播速度会随着空气温度而变化这
一特点，测得空气中不同温度下的飞渡时间参数后，结合待测空间的具体参数
信息，通过选用合适的温度场重建算法即可实现温度场的重建。为重建微波加
热煤质内部温度场，防止电磁干扰的前提下进行必要智能控制设计，为微波源
控制提供决策支持信息。
影响超声法测温精度的因素主要有超声飞渡时间的精确测量和温度场重建
算法。超声波测温技术将提供一种非接触、实时、多维测量的测温方式，克服
了热电偶、热电阻不适用于微波环境以及响应速度慢的缺点；突破了光纤方式
接触性和单点测温的局限；避免了红外方式易受光照影响而产生的干扰。近年
对超声波测量系统的研究主要以微控制器为核心，实现超声回波信号的采集和
相关算法，通过VB、VC、Matlab等软件平台实现超声测量数据显示，但对信
号的复杂运算、回波的波形显示和分析比较薄弱、灵活性较差。
本发明旨在使基于超声波二维测温系统的飞渡时间测量精度达到微波源加
热媒质内部温度场重建的要求，从软硬件方面出发搭建超声波二维测温系统，
结合互相关算法得到飞渡时间实现基于超声波二维测温系统的飞渡时间的精确
测量。
发明内容
为了克服以上所提到的超声测温方法的一些问题，本发明提出一种基于超
声波二维测温装置的飞渡时间测量方法，使该装置具有测量精度高、实时测量、
截面交互性好以及维护方便等优点。利用本发明介绍的装置及方法亦可完成三
维测温系统的搭建，进一步从而实现微波加热媒质内部三维温度场的重建。
所述超声波二维测温装置包括：上位机、单片机、信号发生器、示波器和
超声波传感器。所述上位机通过USB驱动与单片机连接通信，单片机数据控制
端与超声波传感器的控制端连接，超声波传感器与信号发生器、示波器之间通
过探头连接线连接进行信号传递。信号发生器和示波器通过设置网络地址，与
此同时在LabVIEW中选择增添相应的网络地址，实现信号发生器和示波器分
别与上位机的通信。
所述上位机控制三条不同通信通道，每条通信通道对应传送到单片机通信
信号为不同的十进制数。单片机接收不同的数值，内部设定好的程序根据接收
到数值控制继电器，实现在传感器阵列中选择相应的通路。所述上位机在Lab
VIEW平台控制设置不同的波形信号，经过发生器生成相应的波形信号后，发
送给超声波发射电路。经过超声传感器阵列的飞渡路径后，超声波接收电路将
接收到的信号发生给示波器并显示，同时上位机存储接收到的信号。
所述的超声波传感器包括I、II、III和IV超声波传感器，I、II、III和IV
超声波传感器构成二维测温系统，其中I超声波传感器作为发射信号端，II、III
和IV超声波传感器作为接收端。I、II、III和IV超声波传感器分别放置在一个
正方形四条边中点位置，传感器I与传感器II形成超声波飞渡路径1，传感器
I与传感器III形成超声波飞渡路径2，传感器I与传感器IV形成超声波飞渡路
径3。
进一步，基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法，包括以下步骤：
1)上位机通过LabVIEW软件平台控制单片机选通超声波传感器发射/接收
通路，单片机控制单元驱动相应的超声波发射电路，以激励相应的超声波传感
器发射超声波。
2)在LabVIEW软件平台设置波形，将波形信号传递给信号发生器，信号
发生器产生波形信号x(t)传送给超声波传感器发射电路，由发射电路将电信号
x(t)转换为超声波信号f(t)，其中f(t)＝x(t)；超声波在介质中传播后，超声波
由步骤1选通的超声波传感器接收端接收波形信号，并将机械信号转换为电信
号作为接收信号y(t)传送至超声波接收电路。
3)超声波接收电路将接收到的电信号y(t)进行处理，并将信号传输至超声
波数据采集单元的示波器。同时LabVIEW软件平台同步显示接收到的波形，
并将示波器采集到的波形数据存储在固定目录下，其中y(t)＝f(t-D)+n(t)，
n(t)为接收过程中混入的噪声信号，其中n(t)与f(t)互不相关。
4)利用包络函数对发射信号x(t)和接收信号y(t)分别求取对应的包络函数
A[x(t)]和A[y(t)]。
5)然后对包络函数A[x(t)]和A[y(t)]进行互相关运算，得到互相关函数为
R
x
y
(
τ
)
=
∫
-
∞
+
∞
A
[
f
(
t
)
]
A
[
f
(
t
-
D
+
τ
)
]
d
t
.
]]>
6)在包络函数Rxy(τ)所有值中，寻找Rxy(τ)最大值及对应的时间τ，得到互
相关函数Rxy(τ)的峰值处对应的时间τm，即得到超声波飞渡时间D＝τm。
7)将超声波飞渡时间D表示成超声波发射与接收装置之间路径的平均温度
函数![]()
并利用该公式进行计算，将飞渡时间转化为飞渡
路径上的平均温度值。其中公式中L为实际测得的超声波发射与接收单元之间
的距离，单位为m。t为测量路径上气体的平均温度，单位为℃。k为绝热指数
且值为1.4。R为气体常数且值为287，单位为J/Kg·k。超声波飞渡时间D，单
位为ms。
8)在LabVIEW软件平台上显示温度值，并与温度仪测得的实际温度值进
行比较，得到温度误差值，将其通过公式![]()
转换为飞渡时
间误差，飞渡时间误差的数量级即为飞渡时间的测量精度。
应用LabVIEW程序控制超声波传播通路的选择、信号发生器发出波形、
发射/接收数据的存储以及采集数据的计算与显示，而这些都可以通过在Lab
VIEW前面板上进行设置来实现，因此具有可操作性强、交互性好等优点。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，利用虚拟仪器强大的数据采集、信号处
理能力和高分辨率波形显示等优势，通过LabVIEW实现超声信号的控制、采
集与处理，使该系统具有测量精度高、实时测量、界面交互性好和维护方便等
优点。超声波测温系统不仅可以应用于一维、二维环境，根据应用场景的需要
合理安装超声波传感器，亦可在三维空间中形成有效的超声波传播路径。利用
获得的超声波飞渡时间，结合待测空间的具体参数信息，通过温度场重建算法
即可实现温度场的重建。
所涉及的符号变量对应说明如表1。
表1
符号
含义
符号
含义
x(t)
发射信号
y(t)
接收信号
n(t)
噪声信号
Rxy(τ)
互相关函数
D
超声飞渡时间
τm
互相关函数最大峰值的时间
f(t)
声波信号
A[*]
包络函数
L
超声波发射/接收单元之间的距离
T
测量路径上气体的平均温度
k
绝热指数
R
气体常数
附图说明
图1：超声波测温系统原理图；
图2：二维3路径超声波传感器安装位置及超声波飞渡路径图；
图3：超声波二维3路径测温系统LabVIEW程序图；
图4：二维2路径硬件部分电路原理图；
图中：1表示飞渡路径1，2表示飞渡路径2，表示飞渡路径3，I表示超声
波传感器发射信号端，II、III和IV均表示超声波传感器接收端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上
述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据
本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的
保护范围内。
如图1所示，超声波二维测温装置包括：上位机、单片机、信号发生器、
示波器和超声波传感器。所述上位机通过USB驱动与单片机连接通信，单片机
数据控制端口与超声波传感器的控制端连接。超声波传感器与信号发生器、示
波器之间通过探头连接线连接进行信号传递。信号发生器和示波器通过设置网
络地址，与此同时在LabVIEW中选择增添相应的网络地址，实现信号发生器
和示波器分别与上位机的通信。
所述上位机控制三条不同通信通道，每条通信通道对应传送到单片机通信
信号为不同的十进制数。单片机接收不同的数值，内部设定好的程序根据接收
到数值控制继电器，实现在传感器阵列中选择相应的通路。所述上位机在Lab
VIEW平台控制设置不同的波形信号，经过发生器生成相应的波形信号后，发
送给超声波发射电路。经过超声传感器阵列的飞渡路径后，超声波接收电路将
接收到的信号发生给示波器并显示，同时上位机存储接收到的信号。
如图2所示，所述的超声波传感器包括I、II、III和IV超声波传感器，I、
II、III和IV超声波传感器构成二维测温系统，其中I超声波传感器作为发射信
号端，II、III和IV超声波传感器作为接收端。I、II、III和IV超声波传感器分
别放置在一个正方形四条边中点位置，这个正方形的棱长为1m。传感器I与传
感器II形成超声波飞渡路径1，传感器I与传感器III形成超声波飞渡路径2，
传感器I与传感器IV形成超声波飞渡路径3。
一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法，其特征在于，包括以
下步骤：
1)上位机通过LabVIEW软件平台控制单片机选通超声波传感器发射/接收
通路，单片机控制单元驱动相应的超声波发射电路；
2)在LabVIEW软件平台设置波形，信号发生器产生波形信号x(t)传送给超
声波传感器发射电路，由发射电路将电信号x(t)转换为超声波信号f(t)；其中
f(t)＝x(t)，超声波由步骤1选通的超声波传感器接收端接收波形信号，并将波
形信号转换为电信号作为接收信号y(t)传送至超声波接收电路；
3)超声波接收电路将接收信号y(t)处理后传输至示波器，同时LabVIEW软
件平台同步显示接收到的波形，同时将示波器采集到的波形数据存储在固定目
录下；其中y(t)＝f(t-D)+n(t)，n(t)为接收过程中混入的噪声信号；其中n(t)
与f(t)互不相关；
4)利用包络函数对发射信号x(t)和接收信号y(t)分别求取对应的包络函数
A[x(t)]和A[y(t)]；
5)然后对包络函数A[x(t)]和A[y(t)]进行互相关运算，得到互相关函数为
R
x
y
(
τ
)
=
∫
-
∞
+
∞
A
[
f
(
t
)
]
A
[
f
(
t
-
D
+
τ
)
]
d
t
;
]]>
6)在包络函数Rxy(τ)所有值中，寻找Rxy(τ)最大值及对应的时间τ，得到互
相关函数Rxy(τ)的峰值处对应的时间τm；即得到超声波飞渡时间D＝τm；
7)将超声波飞渡时间D表示成超声波发射与接收装置之间路径的平均温度
函数![]()
并利用该公式进行计算，将飞渡时间转化为飞渡
路径上的平均温度值；其中L为实际测得的超声波发射与接收单元之间的距离，
单位为m；-为测量路径上气体的平均温度，单位为℃；k为绝热指数且值为1.4；
R为气体常数且值为287，单位为J/Kg·k；超声波飞渡时间D，单位为ms；
8)在LabVIEW软件平台上显示温度值，并与温度仪测得的实际温度值进
行比较，得到温度误差值T，将其通过公式![]()
转换为飞渡
时间误差D，飞渡时间误差D的数量级即为飞渡时间的测量精度。两个温度之
间的误差值在±2℃之内，其换算出的两个飞度时间之间的误差值为几纳秒，即
得到该测量方法的飞渡时间测量精度为ns级。
实验中，温度仪测量值为17.3℃，超声波测温装置测量值基本在±2℃之间
浮动。经实验验证，3条路径分别选通的情况下测得的飞渡时间精度都达到了
ns级，表明该方法测得的飞渡时间可以达到重建温度场的精度要求。