CN103575423B - 基于超声波检测的局部温度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波检测的局部温度检测装置，包括脉冲发射电路，所述脉冲发射电路的一端连接微控制器，另一端连接功率放大器；所述功率放大器连接超声波探头阵列；所述超声波探头阵列连接放大与滤波电路，超声波探头阵列还通过微控制器的一个控制端口与微控制器连接；所述放大与滤波电路连接相位检测电路；所述相位检测电路通过微控制器的输入端口与微控制器连接。本发明基于超声波检测的局部温度检测装置，多个超声波探头组成超声波探头阵列，被测局部温度场置于超声波探头阵列的范围内部，实现了精确连续测量局部温度，可获取被测局部温度场的整个面温度分布，构建被测局部温度场的温度二维分布图。

Description

基于超声波检测的局部温度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及温度检测技术领域，特别涉及一种基于超声波检测的局部温度检测装置及方法。

背景技术

目前，用于测量局部温度的装置有接触式测温仪表和非接触式测温仪表。常用的接触式测温仪表有膨胀式温度计、热电式高温计等。使用接触式测温仪表进行局部温度测量时，是将感温元件直接放置于温度场中测量温度。通过这种方式进行局部温度测量，只能实现温度场中一个点的温度测量，不能实现温度场的整个面温度测量，即不能完成获取温度场的温度分布信息。而且当温度场的温度瞬间过高或过低时，会使得置于温度场中的测量仪表的测量精度下降，寿命降低，甚至损伤测量仪表。常用的非接触式测温仪表有光学高温计、全辐射高温计、红外温度计、比色温度计等，非接触式测量仪表的工作原理是利用被测物体的某项性能与温度的关系进行温度测量，例如红外温度计就是利用被测物体自身辐射的红外能量与温度的关系进行被测物体表面温度测量。通过利用被测物体的某项性能与温度的关系的方式进行温度测量，容易受到被测介质中杂质和使用环境的干扰、限制，导致测量精度不高，也不能获取局部温度场的温度分布信息，且设备复杂，价格昂贵。

目前，也出现了基于超声波测温的测温仪。超声波测温仪是采用一个超声波探头，超声波向被测物体发射超声波，超声波穿过传输介质传输至被测物体后反射回来，超声波探头接收的是超声波反射信号，其测温原理是：超声波在近似理想的气体中的传播可认为是绝热过程，其传播速度，又由速度与传播时间的关系v=d/T，有，其中R为气体常数；，为定压比热和定容比热的比例系数；M为分子质量；d为超声波传播距离；T为超声波传播时间；ρ为气体分子密度；Q为绝对温度。目前的超声波测温仪使用一个超声波探头进行发射和接收超声波信号，接收的是反射信号，只能实现被测物体的某个点温度测量，无法实现被测局部温度场的整个面温度测量。此外，由于超声波探头接收的是反射信号，反射信号会带来不必要的误差，导致测量精度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服目前现有的测温仪表易受被测环境影响而导致测量精度不高，且不能实现被测温度场的整个面温度测量、获取温度分布信息的不足，提供一种基于超声波检测的局部温度检测装置，同时提供一种基于超声波检测的局部温度检测方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于超声波检测的局部温度检测装置，包括脉冲发射电路，所述脉冲发射电路的一端连接微控制器，另一端连接功率放大器；所述功率放大器连接由多个超声波探头组成的超声波探头阵列；所述超声波探头阵列连接放大与滤波电路，超声波探头阵列还通过微控制器的一个控制端口与微控制器连接；所述放大与滤波电路连接相位检测电路；所述相位检测电路通过微控制器的输入端口与微控制器连接。

进一步的，所述组成超声波探头阵列的超声波探头为收发一体超声波探头，被测局部温度场置于超声波探头阵列内部。

优选的，所述超声波探头阵列由2^N个超声波探头组成，N为正整数。进一步优选的，所述2^N个超声波探头呈中心对称均匀分布于一个圆形边缘，组成圆形状的超声波探头阵列。

所述微控制器控制脉冲发射电路发射激发脉冲信号，功率放大器将脉冲发射电路发射的激发脉冲信号进行功率放大，然后输出至超声波探头阵列中的一个超声波探头，接收到激发脉冲信号的超声波探头发射超声波，超声波探头阵列中其余的超声波探头接收该超声波，并将该超声波发送至放大与滤波电路进行放大和滤波，然后输出至相位检测电路，相位检测电路进行相位检测后将超声波相位数据传输至微控制器，微控制器对接收的数据进行处理，得到被测局部温度场的连续温度数据。

进一步的，超声波探头阵列中的一个超声波探头向超声波探头阵列中其余的超声波探头发射超声波完成后，微控制器控制下一个超声波探头向超声波探头阵列中其余的超声波探头发射超声波，如此循环，直至组成超声波探头阵列的所有超声波探头均完成一次超声波发射，最后微控制器获取全面的空域扇束投影数据p(s,θ)，θ为发射超声波的超声波探头到接收超声波的超声波探头形成的线段与局部温度场坐标系中X轴正向所成的夹角；s为向量的一维坐标，该向量与超声发射探头到超声波接收探头形成的向量相垂直，p(s,θ)为不同方向不同距离上的时间值组合。

进一步的，微控制器获取全面的空域扇束投影数据p(s,θ)后，重新排列获取平行束数据t(s,θ)；对s进行一维傅里叶变换，得到频域数据P(ω,θ)，然后对P(ω,θ)进行滤波，得到滤波后的频域数据Q(ω,θ)；再对ω进行一维傅里叶反变换，得到滤波后的空域数据q(s,θ)；最后进行反投影，即可得到被测局部温度场的温度二维分布图。

优选的，所述微控制器连接显示屏或PC机，经过微控制器处理得到的被测局部温度场的温度二维分布图通过显示屏或PC机显示。

本发明还提供了一种基于超声波检测的局部温度检测方法，该方法基于本发明基于超声波检测的局部温度检测装置实现，包括如下步骤：

（1）将被测局部温度场置于超声波探头阵列的内部；

（2）微控制器控制脉冲发射电路发射激发脉冲信号，功率放大器将脉冲发射电路发射的激发脉冲信号进行功率放大，超声波探头阵列中的一个超声波探头接收放大的激发脉冲信号后发射超声波；

（3）超声波探头阵列中其余的超声波探头接收该超声波，并将该超声波发送至放大与滤波电路进行放大和滤波；

（4）相位检测电路对滤波后的超声波进行相位检测，获取相位数据，微控制器根据相位数据获取超声波传输的时间数据；

（5）微控制器控制下一个超声波探头向超声波探头阵列中其余的超声波探头发射超声波，循环执行步骤（2）至步骤（4），直至组成超声波探头阵列的每一个超声波探头均完成一次超声波发射，微控制器获取全面的空域扇束投影数据p(s,θ)，θ为发射超声波的超声波探头到接收超声波的超声波探头形成的线段与局部温度场坐标系中X轴正向所成的夹角；s为向量的一维坐标，该向量与超声发射探头到超声波接收探头形成的向量相垂直，p(s,θ)为不同方向不同距离上的时间值组合；

（6）微控制器根据全面的空域扇束投影数据p(s,θ)得到被测局部温度场的连续温度数据。

进一步的，所述步骤（6）包括：微控制器获取全面的空域扇束投影数据p(s,θ)后，重新排列获取平行束数据t(s,θ)；对s进行一维傅里叶变换，得到频域数据P(ω,θ)，然后对P(ω,θ)进行滤波，得到滤波后的频域数据Q(ω,θ)；再对ω进行一维傅里叶反变换，得到滤波后的空域数据q(s,θ)；最后进行反投影，得到被测局部温度场的温度二维分布图及连续温度数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明基于超声波检测的局部温度检测装置，多个超声波探头组成超声波探头阵列，被测局部温度场置于超声波探头阵列的范围内部，而不是像传统接触式测温仪一样需放置于被测局部温度场中，不会对局部温度场分布造成影响，也不会因为局部温度场温度过高或过低对测温仪造成损坏。

多个超声波探头组成超声波探头阵列在工作时，其中一个超声波探头发射超声波，其余的超声波探头接收该超声波探头发射的超声波，即是说，超声波探头接收的是透射信号，而不是传统超声波测温时接收的是反射信号，避免了反射信号带来的误差，提高测量精度。

本发明基于超声波检测的局部温度检测装置，多个超声波探头组成超声波探头阵列，被测局部温度场置于超声波探头阵列的范围内部，组成超声波探头阵列的每一个超声波探头都会发射一次超声波，当其中一个超声波探头发射超声波时，其余的超声波探头都要接收该超声波探头发射的超声波，一次性可获取较多的数据。所有的超声波探头均完成发射一次超声波后，获取全面的投影数据p(s,θ)，根据全面的投影数据p(s,θ)即可根据数据在线实现局部温度场的温度二维分布，实现了精确连续测量局部温度，避免了同一位置在不同时间所测量出的温度不同。

附图说明：

图1是本发明基于超声波检测的局部温度检测装置的结构示意图；

图2是实施例中超声波探头阵列示意图；

图3为实施例中超声波探头阵列工作示意图；

图4是基于超声波检测的局部温度检测装置的数据处理流程图。

图5为一局部温度场的温度二维分布图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

参考图1，本发明提供的基于超声波检测的局部温度检测装置，包括脉冲发射电路1，功率放大器2，超声波探头阵列3，放大与滤波电路4，相位检测电路5和微控制器6。脉冲发射电路1的一端连接微控制器6的一个控制端口，另一端连接功率放大器2；功率放大器2连接超声波探头阵列3，超声波探头阵列3与放大与滤波电路4连接，超声波探头阵列3还通过微控制器6的一个控制端口与微控制器6连接；放大与滤波电路4连接相位检测电路5；相位检测电路5通过微控制器6的输入端口与微控制器6连接。微控制器6通过其输出端口可以与PC机7或者显示屏器连接，使得处理形成的温度二维分布图像在PC机7或者显示屏中显示。

微控制器6控制脉冲发射电路1发射激发脉冲信号，功率放大器2将脉冲发射电路1发射的激发脉冲信号进行功率放大，然后输出至超声波探头阵列3。超声波探头阵列3用于发射和接收超声波，超声波探头阵列3由多个超声波探头组成，微控制器6对超声探头阵列3信道进行切换，使其中一个超声波探头受到激发脉冲信号的激发后，向超声波探头阵列中的其他超声波探头发射超声波，其他超声波探头接收到超声波后发送至放大与滤波电路4，进行放大和滤波后输出至相位检测电路5，相位检测电路5检测所接收到的超声波相位，并将该相位数据传输至微控制器6，微控制器6根据相位数据来获取超声波从发射到接收所用的时间数据（由相位数据获取时间数据为现有技术，此处不作细述），并对时间数据进行处理，得到超声波阵列3范围内的局部温度场温度分布，通过PC机7或显示屏进行局部温度场的温度分布二维成像显示。

参考图2，组成超声波探头阵列3的多个超声波探头均为收发一体超声波探头，被置于以O为中心，半径为L的圆形边缘，对应的超声波探头呈中心对称均匀分布，局部温度场f(x,y)（x,y分别为局部温度场分布的横坐标和纵坐标）被置于中心对称的圆形超声波探头阵列当中。需要说明的是，组成超声波探头阵列的超声波探头的排列方式，并不限于本实施例中的呈中心对称均匀分布于圆形边缘，超声波探头可以以非均匀方式排列，超声波阵列的形状可以为任意形状，例如矩形，椭圆形等，本实施例中超声波探头的分布方式为最佳实施方式，达到的测量精度高。组成超声波阵列的超声波探头数量根据被测局部温度场的大小和要求精度的高低而确定，超声波探头数量越多，采集到的数据就越多，因此测量精度越高，通常的，采用2^N（N=1,2,3…）个超声波探头均匀分布于圆形边缘。

参考图2，超声波探头阵列3在工作中，首先超声波探头n1（即第一个超声波探头）发射超声波，超声波透射中间局部温度场f(x,y)，到达超声波探头n2,n3，…,nm（即第m个超声波探头，m=1,2,3…），超声波探头n2,n3，…,nm接收超声波探头n1所发射的超声波，并将超声波数据传输至放大与滤波电路4，再经过相位检测电路5检测相位，最后传输至微控制器6。

如图3所示，超声波探头阵列3第一次发射与接收超声波完毕后，微控制器6控制超声波探头n2发射超声波，超声波透射中间局部温度场f(x,y)，到达超声波探头n3,…,nm，n1，超声波探头n3,…,nm，n1接收超声波探头n2所发射的超声波，并将超声波数据传输至放大与滤波电路4，再经过相位检测电路5检测相位，最后传输至微控制器6。

超声波探头阵列3中，上述过程循环至超声波探头nm，超声波探头nm发射的超声波被超声波探头n1,…,n(m-1)接收并传输至放大与滤波电路4，再经过相位检测电路5输至微控制器6后，完成一次局部温度场中超声波数据的发射与接收过程，获取全面的投影数据p(s,θ)，其中，θ为发射超声波的超声波探头到接收超声波的超声波探头形成的线段与局部温度场坐标系中X轴正向所成的夹角；s为向量的一维坐标，该向量与超声发射探头到超声波接收探头形成的向量相垂直；p(s,θ)为与θ和s相关的时间数据，是不同方向不同距离上的时间值组合。

微控制器6获取全面的时间投影数据p(s,θ)后，完成被测局部温度场的温度值测算，并构建被测局部温度场的二维温度分布图。常用构建二维图像的算法有解析算法和迭代算法，对于全面准确的投影数据而言，解析算法明显优于迭代算法，重建二维图像的速度比迭代法更快，图像质量更好，分辨率更高，因此宜采用解析算法构建二维温度分布图。本实施例中采用解析算法中的FBP（滤波反投影）算法构建二维温度分布图。为了减轻微控制器6的运算负担，也可以将投影数据p(s,θ)传输至PC机7，在PC机7中完成被测局部温度场的温度值测算，并构建被测局部温度场的二维温度分布图。

参考图4，获取全面的空域扇束投影数据p(s,θ)后，重排获得平行束数据t(s,θ),t(s,θ)也是与θ和s相关的时间数据组合。对s进行一维傅里叶变换，得到频域数据P(ω,θ)，然后对P(ω,θ)进行滤波，得到滤波后的频域数据Q(ω,θ)；再对ω进行一维傅里叶反变换，得到滤波后的空域数据q(s,θ)；最后进行反投影，即是说，利用中心切片定理：二维函数f(x,y)的投影p(s,θ)的傅立叶变换P(ω,θ)等于函数f(x,y)的傅立叶变换F(ω_x,ω_y)沿与超声波探头平行的方向过原点的片段，即可重建被测局部温度场的图像，得到被测局部温度场的温度二维分布图。

参考图5，为构建的局部温度二维分布示意图。被测局部温度场的温度二维分布图中，不同颜色等级代表不同温度，根据颜色等级栏和颜色区域划分，可以得知图中各部分对应的温度分布范围。在实际操作中，当光标移动至温度分布图中的某位置即可显示该点的温度值。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (6)

1.一种基于超声波检测的局部温度检测装置，其特征在于，包括脉冲发射电路，所述脉冲发射电路的一端连接微控制器，另一端连接功率放大器；所述功率放大器连接由多个超声波探头组成的超声波探头阵列；所述超声波探头阵列连接放大与滤波电路，超声波探头阵列还通过微控制器的一个控制端口与微控制器连接；所述放大与滤波电路连接相位检测电路；所述相位检测电路通过微控制器的输入端口与微控制器连接；

所述组成超声波探头阵列的超声波探头为收发一体超声波探头，被测局部温度场置于超声波探头阵列内部；

所述微控制器控制所述脉冲发射电路发射激发脉冲信号，所述功率放大器将所述脉冲发射电路发射的激发脉冲信号进行功率放大，然后输出至所述超声波探头阵列中的一个超声波探头，接收到激发脉冲信号的超声波探头发射超声波，所述超声波探头阵列中其余的超声波探头接收该超声波，并将该超声波发送至所述放大与滤波电路进行放大和滤波，然后输出至所述相位检测电路，所述相位检测电路进行相位检测后将超声波相位数据传输至所述微控制器，所述微控制器对接收的数据进行处理而得到被测局部温度场的连续温度数据；

所述超声波探头阵列中的一个超声波探头向超声波探头阵列中其余的超声波探头发射超声波完成后，微控制器控制下一个超声波探头向超声波探头阵列中其余的超声波探头发射超声波，直至组成超声波探头阵列的所有超声波探头均完成一次超声波发射，并使所述微控制器获取全面的空域扇束投影数据p(s，θ)；其中，θ为发射超声波的超声波探头到接收超声波的超声波探头形成的线段与局部温度场坐标系中X轴正向所成的夹角；s为向量的一维坐标，该向量与超声波发射探头到超声波接收探头形成的向量相垂直，p(s，θ)为不同方向不同距离上的时间值组合。

2.根据权利要求1所述的基于超声波检测的局部温度检测装置，其特征在于，所述超声波探头阵列由2^N个超声波探头组成，N为正整数。

3.根据权利要求2所述的基于超声波检测的局部温度检测装置，其特征在于，所述2^N个超声波探头呈中心对称均匀分布于一个圆形边缘，组成圆形状的超声波探头阵列。

4.根据权利要求1所述的基于超声波检测的局部温度检测装置，其特征在于，所述微控制器连接显示屏或PC机，经过微控制器处理得到的被测局部温度场的温度二维分布图通过显示屏或PC机显示。

5.应用权利要求1所述基于超声波检测的局部温度检测装置进行局部温度检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将被测局部温度场置于超声波探头阵列的内部；

(2)微控制器控制脉冲发射电路发射激发脉冲信号，功率放大器将脉冲发射电路发射的激发脉冲信号进行功率放大，超声波探头阵列中的一个超声波探头接收放大的激发脉冲信号后发射超声波；

(3)超声波探头阵列中其余的超声波探头接收该超声波，并将该超声波发送至放大与滤波电路进行放大和滤波；

(4)相位检测电路对滤波后的超声波进行相位检测，获取相位数据，微控制器根据相位数据获取超声波传输的时间数据；

(5)微控制器控制下一个超声波探头向超声波探头阵列中其余的超声波探头发射超声波，循环执行步骤(2)至步骤(4)，直至组成超声波探头阵列的每一个超声波探头均完成一次超声波发射，微控制器获取全面的空域扇束投影数据p(s，θ)，θ为发射超声波的超声波探头到接收超声波的超声波探头形成的线段与局部温度场坐标系中X轴正向所成的夹角；s为向量的一维坐标，该向量与超声波发射探头到超声波接收探头形成的向量相垂直，p(s，θ)为不同方向不同距离上的时间值组合；

(6)微控制器根据全面的空域扇束投影数据p(s，θ)得到被测局部温度场的连续温度数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)包括：微控制器获取全面的空域扇束投影数据p(s，θ)后，重新排列获取平行束数据t(s，θ)；对s进行一维傅里叶变换，得到频域数据P(ω，θ)，然后对P(ω，θ)进行滤波，得到滤波后的频域数据Q(ω，θ)；再对ω进行一维傅里叶反变换，得到滤波后的空域数据q(s，θ)；最后进行反投影，得到被测局部温度场的温度二维分布图及连续温度数据。