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 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

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。

参考文献

[1] 杨秋兰. 浅谈温度测量的发展现状[J].

科技传播,2010(14):116,113.

[ 2 ] J . P . J o u l e . O n a n e w c l a s s o f

magnetic forces.Ann.Electr Magn

Chem,1842,8:219-224.

[3] 冯洪亮, 杨志红, 扈晓斌. 磁致伸缩效应

原理及在工业测量中的应用[J]. 仪表技

术及传感器,2009( 增刊):344-346,371.

[4] 张天恒, 凌旭, 张兴红. 基于超声波技术

的温度传感器设计[J]. 仪表技术与传感

器,2014(8):10-13.

作者简介

于春和(1976-)，男，博士学位，硕士研究生

导师。主要研究方向为电磁无损检测、涡流无

损检测

栾玉国(1979-)，男，硕士研究生。主要研究

方向为信号处理与应用。

作者单位

沈阳航空航天大学电子信息工程学院 辽宁省

沈阳市 110136

图4：脉冲信号图图5：反射回波信号图