中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051

一、引言

超聲測(cè)溫是聲學(xué)測(cè)溫的一部分，它是一種利用接觸測(cè)溫方法來進(jìn)行溫度測(cè)量的新技術(shù)[1]，這種技術(shù)可以用于被測(cè)物體處于溫度變化快，而且溫度較高的如先進(jìn)火箭、導(dǎo)彈等的惡劣環(huán)境中[2-3]。美國(guó)于上世紀(jì)九十年代已經(jīng)將超聲測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于核反應(yīng)堆堆芯溫度測(cè)試當(dāng)中[4]，國(guó)內(nèi)在此方面尚屬開始階段，華北電力大學(xué)安連鎖等人成功將12kHz氣體超聲溫度計(jì)安裝于200MW機(jī)組鍋爐上進(jìn)行調(diào)試[5-6]。

目前國(guó)內(nèi)距離用聲學(xué)法實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)尚有很大差距，所以對(duì)于更高頻率的細(xì)線超聲測(cè)溫時(shí)的信號(hào)實(shí)時(shí)采集與傳輸?shù)难芯匡@得尤為重要。本文提出了一個(gè)高速、低成本的細(xì)線超聲測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了較高的采集速度，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)采集方案的受限于器件性能的不足。

二、超聲測(cè)溫原理

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要應(yīng)用于細(xì)線超聲測(cè)溫技術(shù)[7]。由于聲波在固體中傳播時(shí)，聲速的溫度靈敏度隨溫度升高而增大，因此這種溫度計(jì)更適于測(cè)量高溫[8]。而聲波在細(xì)線傳播時(shí)的速度與材料的楊氏彈性模量，材料的密度有關(guān)。但由于缺少?gòu)椥阅Ａ颗c溫度間的精確的函數(shù)關(guān)系，因此聲速與溫度間的關(guān)系主要靠后期實(shí)驗(yàn)標(biāo)定系統(tǒng)來標(biāo)定[9]。由于細(xì)線的長(zhǎng)度已知，所以超聲聲速與溫度間的關(guān)系就可以演化為超聲在細(xì)線中的傳播時(shí)間與溫度的關(guān)系。

三、高速采樣硬件方案

高速采樣硬件方案如圖1所示，超聲導(dǎo)波測(cè)溫系統(tǒng)主要包括脈沖發(fā)生裝置，耐高溫金屬線（鎢桿），超聲接收裝置（限幅、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、系統(tǒng)控制電路、USB接口電路以及上位機(jī)等構(gòu)成）。超聲接收裝置核心是由FPGA構(gòu)成。本文主要討論超聲導(dǎo)波測(cè)溫技術(shù)中高速采集的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換單元和FPGA邏輯控制單元。

從理論上講，該方案是根據(jù)超聲回波信號(hào)的波包寬度、頻率特征來設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)采用兩塊高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)同一個(gè)超聲換能器的信號(hào)進(jìn)行采集，兩塊A/D采樣時(shí)鐘信號(hào)相位相差90°。而采集速率取決于超聲信號(hào)的頻率。當(dāng)超聲信號(hào)的頻率越高、單個(gè)超聲回波波包的長(zhǎng)度越短時(shí)，就能夠在鎢桿前端制作更短的節(jié)距，為更快響應(yīng)速度的超聲測(cè)溫帶來可能。

四、FPGA 時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲導(dǎo)波信號(hào)具有重復(fù)性和高頻的特性，設(shè)計(jì)中采用了與相位合成技術(shù)相似的高速采集方案[10]。方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該高速數(shù)據(jù)采集方案包括兩塊高速A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA邏輯控制單元，USB接口電路。其工作原理是，將同一個(gè)傳感器同時(shí)接入兩塊高速A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)采樣觸發(fā)同步脈沖到來時(shí)，采樣邏輯控制器即FPGA邏輯控制單元產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘信號(hào)CLKA、CLKB。兩塊A/D轉(zhuǎn)換器在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果由FPGA的邏輯控制下寫入FPGA片上FIFO模塊，并將FIFO模塊中緩存的數(shù)據(jù)逐步通過USB接口電路傳送至上位機(jī)。采樣過程中，CLKA與CLKB的邏輯相反，即在一個(gè)周期內(nèi)，兩片高速A/D分別采集一次信號(hào)，相差半個(gè)周期。

1、A/D采樣控制

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用8位的ADC08060高速A/D芯片，其最大采樣速率為60Msps。由于更高的采樣頻率對(duì)電路整體設(shè)計(jì)要求十分苛刻，設(shè)計(jì)缺陷帶來的采集信號(hào)毛刺等問題會(huì)對(duì)采集到的超聲信號(hào)帶來影響，所以設(shè)計(jì)中A/D采樣系統(tǒng)中使用20MHz采樣時(shí)鐘。A/D芯片的采樣時(shí)鐘信號(hào)由FPGA給出。兩塊芯片的輸入信號(hào)連接在一起，在信號(hào)輸入ADC08060之前，由高速與門芯片THS3002I構(gòu)成電壓跟隨，使得超聲換能器與A/D轉(zhuǎn)換芯片阻抗匹配。當(dāng)開始采集超聲回波信號(hào)時(shí)，邏輯控制模塊發(fā)出的ADC時(shí)鐘信號(hào)CLKA、CLKB信號(hào)進(jìn)入，兩時(shí)鐘信號(hào)相位差為90°。其中單片A/D電路原理圖如圖3所示。

2、采樣結(jié)果高速緩存

本模塊是由FPGA自帶的資源通過IP核生成。由A/D轉(zhuǎn)換芯片采集的超聲信號(hào)數(shù)據(jù)直接送入FIFO中。生成的兩個(gè)FIFO模塊，對(duì)兩片A/D轉(zhuǎn)換芯片采集的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行存儲(chǔ)。兩塊FIFO的時(shí)鐘信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)鐘信號(hào)同步，做到高速緩存，位寬為8 bits，緩存深度為1024 words。由于兩片F(xiàn)IFO分別存儲(chǔ)兩片A/D信號(hào)，而傳輸?shù)経SB端的信號(hào)需要合并為同一信號(hào)。這里在FPGA上讀信號(hào)實(shí)現(xiàn)了乒乓操作，從兩片F(xiàn)IFO上交叉逐一讀出信號(hào)，即為原始信號(hào)。

在單片20MHz采樣速率下，兩塊存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)的時(shí)域信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度為：

若超聲波在磁致伸縮材料中的傳播速度為4900m/s，在鎢中的傳播速度為5700m/s，按最低速度計(jì)算，并以超聲換能器所激發(fā)出的縱波在磁致伸縮材料中傳輸并反射為例，該容量的存儲(chǔ)器可使用的最大材料長(zhǎng)度為：

由于目前所使用的細(xì)線超聲傳感器長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于該長(zhǎng)度值，因此設(shè)計(jì)的緩存器容量能夠滿足要求。

3、USB與FPGA通信接口

USB控制模塊采用Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列的低功耗單片機(jī)CY7C68013A。它的外圍接一個(gè)I2C芯片AT24LC64，用來存放固件程序。FPGA與CY7C68013A通過異步FIFO方式連接，接口時(shí)鐘USB_IFCLK也由FPGA給出，時(shí)鐘頻率與FPGA相同。當(dāng)FIFO讀信號(hào)發(fā)出時(shí)，過半個(gè)周期讀數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

五、軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)編程采用Visual Studio開發(fā)平臺(tái)，主要包括系統(tǒng)初始化、USB數(shù)據(jù)讀取、采樣深度等數(shù)值傳輸模塊。具有繪圖、坐標(biāo)偏移、設(shè)備檢測(cè)、設(shè)備刷新、通道選擇、采樣深度設(shè)置、門前延時(shí)、觸發(fā)間隔等功能。設(shè)置了單點(diǎn)觸發(fā)和循環(huán)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，同時(shí)也可以保存輸入到上位機(jī)的數(shù)據(jù)，保存波形圖片等功能。上位機(jī)界面如圖4所示。上位機(jī)通過USB接口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，將采樣深度，門前延時(shí)，通道選擇，觸發(fā)間隔等控制字傳輸至FPGA，來控制FPGA的采集模式。FPGA將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至軟件，軟件將采樣到的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪圖，形成超聲信號(hào)波形。

六、實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)使用直徑為3mm，長(zhǎng)度為604mm的磁致伸縮材料作為超聲波導(dǎo)，在磁致伸縮材料上加工一個(gè)深度為1mm，軸向長(zhǎng)度為1mm的凹槽，節(jié)距長(zhǎng)度為300mm。給系統(tǒng)上電后，通過上位機(jī)設(shè)置采樣深度、門前延時(shí)以及觸發(fā)方式。將超聲機(jī)理裝置激發(fā)出的超聲調(diào)節(jié)為400kHz，開始采集超聲回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)共采集常溫以及100℃～600℃溫度范圍內(nèi)每個(gè)溫度點(diǎn)三組數(shù)據(jù)，溫度間隔為100℃。

圖5所示為單次200℃時(shí)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的超聲縱波信號(hào)。第一個(gè)波包為起始聲波，第二個(gè)小的信號(hào)為凹槽回波，第三個(gè)波包為端面回波。

為便于分析，對(duì)所得到的三組數(shù)據(jù)使用MATLab 進(jìn)行描點(diǎn)分析，得到如圖6所示為三組溫度與延遲時(shí)間關(guān)系圖。可以看出超聲回波信號(hào)延遲時(shí)間隨溫度的升高而相應(yīng)的增加，在12℃～600℃的區(qū)間內(nèi)，超聲回波時(shí)間與溫度有較好的線性關(guān)系。但由于高溫爐在100℃～1200℃之間時(shí)，不確定度為2℃，且控制精度為1℃，假設(shè)爐內(nèi)溫度不確定度在2℃時(shí)，超聲波傳播的標(biāo)準(zhǔn)傳播時(shí)間可取三組數(shù)據(jù)的平均值。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中高溫爐的溫度漂移以及沒有通過精確算法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)所帶來的人為因素不可避免。

七、結(jié)論

文中提出了一種用于超聲導(dǎo)波測(cè)溫技術(shù)超聲回波信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該超聲回波信號(hào)采集系統(tǒng)能夠以40Msps采樣速率采集超聲回波信號(hào)，滿足實(shí)際檢測(cè)時(shí)信號(hào)采集的要求，且采樣深度、門前延時(shí)和觸發(fā)方式可調(diào)，能夠在超聲導(dǎo)波測(cè)溫技術(shù)中用于更高頻率的超聲回波信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，可用于更高精度的超聲導(dǎo)波測(cè)溫技術(shù)當(dāng)中，而上位機(jī)的數(shù)據(jù)保存與波形圖保存功能使得后期的數(shù)據(jù)處理過程大大簡(jiǎn)化，提高檢測(cè)效率。