超声波温度传感器的物理基础超声波波速会随着介质温度变化而变化的特性,实现超声波波速与介质温度的数学建模是声学温度计的主要思路。时差法是超声波波速测量的方法之一,如何精确计算超声波在介质中传播时间,是超声波温度测量系统设计过程中的重点和难点。课题主要研究内容如下:1、本文针对温度测量的高精度和快速响应需求,采用FPGA作为主控芯片进行系统硬件设计,搭建超声波输出信号驱动电路和高速信号采集系统,实现2MHz超声波信号发射和采集。设计RS232串口通讯电路实时传输采样数据,通过上位机编写Lab VIEW程序,直观的查看波形和温度变化趋势。2、应用Verilog HDL硬件描述语言进行软件设计,针对不同的外围模块和信号处理需求,采用自顶而下的设计方式将系统分割为八个行为级的功能模块。主要包括:以DCM为基础,搭建时钟管理模块;结合DDS和正弦波LUT,控制超声波激励信号的输出;使用串口通讯实现上位机和下位机的数据交互,设计了指令解析功能;使用大量的IP核优化了系统结构,如FIR数字滤波器、双口RAM存储器等;高速信号采集控制,系统工作流程控制状态机的设计。3、在过零点时差法计算方法的基础上,使用精确延时采集信号的方式,优化了信号存储量和数据分析量,设计了实时特征波提取和过零点搜索算法,超声波传播时间的测量精确到纳秒级。4、对系统进行了仿真、调试和验证,分别对特定流体进行静态实验和动态实验,根据超声波传播时间实验数据分析结果,建立了超声波波速和介质温度的数学模型。重复性和不确定度分析结果表明,该系统达到了设计目标。