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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
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[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
