基于鉬錸合金的超聲導波溫度傳感器設計

2022-01-21 00:32:04肖旭東劉康馳薛程顥李景林

傳感器與微系統(tǒng) 2022年1期

肖旭東，楊錄，劉康馳，薛程顥，李景林

(中北大學信息與通信工程學院，山西太原 030051)

0 引言

高溫測量在航天、材料、能源、冶金等領域中占有極重要地位[1]?，F(xiàn)階段，工業(yè)中的測溫方式主要包括熱電偶和輻射溫度計。熱電偶具有靈敏度與精確度高的優(yōu)點，但應用場景不夠靈活，難以實現(xiàn)連續(xù)的在線檢測和控制。輻射溫度計則在測量范圍、數(shù)據(jù)處理和數(shù)字顯示方面都有很大改進，但實現(xiàn)精確測量容易受煙氣、霧氣等的影響[2]。相較上述測溫手段，超聲測溫的環(huán)境適應性強，應用場景靈活，可以滿足在線控制與測溫環(huán)境多樣性的需要，特別是在惡劣的高溫環(huán)境中。

超聲波測溫技術是利用超聲波在介質中的波速與介質溫度之間的關系來實現(xiàn)測溫。國外學者對于超聲波測溫技術的研究已經(jīng)很深入。早在120年前，Mayer就測量出了1 000 K以上高溫氣體中的聲速[1～3]。20世紀90年代，Wilkins S C采用單晶鎢代替加針多晶鎢作檢測元件，可以測量高達3 000 ℃的溫度[3]；Varela D W利用微型計算機作為測溫系統(tǒng)的控制單元，可以測量加熱爐中從室溫到3 000 ℃的煙氣溫度，標志著超聲測溫技術已發(fā)展到工業(yè)和實驗室中[4]。

國內(nèi)對超聲波測溫技術的具體應用研究較少，近幾年的發(fā)展速度也較慢。其中，華中科技大學的何其偉、於正前等人設計了一種爐膛速度場聲學檢測裝置，實現(xiàn)了爐膛溫度場的檢測與重建[5]。華北電力大學的沈國清、安連鎖等人介紹了聲學方法測量煙氣溫度的基本原理，使用費馬原理對二維溫度分布圖及其重建進行了探討[6]。沈陽工業(yè)大學的顏華等人提出了一種基于互相關和插值運算的聲波飛行時間測量法，在弱噪聲與中、強噪聲情況下分別做三次樣條插值和線性插值，該方法對提高聲學法溫度場檢測精度具有實際意義[7];中北大學的王高、王凱等人設計的銥銠合金超聲測溫傳感器可測溫度達到了1 600 ℃[8]。在我國，對于超聲測溫的研究還處在對國外研究現(xiàn)狀的分析與報道階段，本世紀初才開始展開超聲波測溫技術實際應用的研究，目前國內(nèi)使用的超聲波溫度計還都依靠從國外進口[9]，因此對超聲測溫應用的研究很有必要。

1 超聲測溫原理

超聲導波[10,11]在材料中的傳播速度取決于材料的溫度，研究最多并且也是最成熟的超聲測溫法是脈沖回波法。超聲波在材料中的傳播速度與材料的溫度具有一定的函數(shù)關系，如式(1)所示

(1)

式中v(T)為超聲波在材料中傳播的速度，E(T) 為材料的彈性模量，ρ(T) 為材料的密度。顯然，超聲波傳播速度v與溫度T的平方根成正比。

超聲波在固體介質中傳播時會發(fā)生反射、折射和波形轉換[12]，因此，在介質刻一個凹槽構造出節(jié)點和端面兩個聲反射點就可以產(chǎn)生節(jié)點回波和端面回波，如圖1所示，產(chǎn)生一個超聲波激發(fā)脈沖，超聲信號傳播到傳感器，一部分能量在凹槽處發(fā)生反射產(chǎn)生節(jié)點回波，其余的繼續(xù)傳播到端面產(chǎn)生端面回波。

圖1 超聲測溫原理

因此，由式(2)可以計算出當前溫度下的超聲導波聲速。多次實驗之后可以得到聲速v與溫度T的擬合曲線，將測量到的聲速v代入此經(jīng)驗曲線可以測量出溫度值

(2)

式中v(T)為超聲波在材料中傳播的速度，s為凹槽到端面的距離，t(T)為節(jié)點回波與端面回波間的時差。

2 超聲導波溫度傳感器設計

2.1 傳感器材料的選擇

超聲導波傳感器必須考慮如下三個因素：1)傳感器材料的導聲性能好；2)傳感器材料的熔點高；3)在高溫環(huán)境下材料的物理特性穩(wěn)定。

難熔金屬鉬具有優(yōu)良的導熱、導電、耐腐蝕性能，并且具有低的熱膨脹系數(shù)、較高的硬度、很好的高溫強度，因而鉬在電子工業(yè)、宇航工業(yè)、能源工業(yè)等領域有很廣闊的用途，但是鉬的高溫抗氧化能力較差，在空氣中加熱到約300 ℃就開始氧化[13]。難熔金屬錸同樣具有高熔點以及穩(wěn)定的物理特性，被廣泛應用到航空航天等領域，錸作為合金添加元素能有效改善合金的性能，因此在鉬中添加錸可以增強鉬的高溫抗氧化能力，并且大幅度地降低了鉬合金的塑脆轉變溫度，從而使得鉬錸合金具有很好的常溫性能，同時又可以提高鉬合金的再結晶溫度，提高鉬合金的高溫性能。Mo—47.5Re的熔點為2 450 ℃，并且它的線膨脹系數(shù)較小為6×10-6/℃，具備良好的傳聲特性，對溫度很敏感。綜上選用鉬錸合金做傳感器材料。在進行標定實驗前，利用抽氣泵抽走空氣制造真空環(huán)境，并用剛玉套管和高溫塑封膠進行密封，使鉬錸傳感器隔離氧氣抗氧化。

2.2 傳感器敏感元設計

1)直徑

超聲波經(jīng)過波導絲邊界的反射、折射和模態(tài)轉換，形成能夠在波導結構中傳播的導波，導波的傳播不僅會受到結構尺寸的影響，還會受到頻率的影響，導波相速度隨頻率變化而變化的現(xiàn)象稱為頻散[14]。超聲導波在桿狀結構中傳輸時導波具有頻散特性，群速度與相速度隨著頻率與桿狀結構直徑之積而變化。其中直徑越大，頻散越嚴重，為了保證超聲波頻散較小，直徑應盡可能較小[15]。因此傳感器選用直徑為1 mm的鉬錸合金。

2)區(qū)截長度

根據(jù)超聲導波測溫原理，需要確保能夠從采集回的超聲回波信號解析出端節(jié)點波的時差信息，為了避免節(jié)點波與端點波混疊影響到信號解析，節(jié)點到端點的距離s應該滿足如下計算公式

2s>v(T)×N×1/f

(3)

式中v(T)為超聲波在材料中傳播的速度，N為超聲導波在端節(jié)點處的振蕩周期，f為超聲導波的頻率。因為固體介質中的v(T)隨著溫度的升高而降低，所以，v(T)在常溫下對應聲速最大為5 400 m/s，N=10，f=1 MHz，由式(3)可得s>27 mm。因此，傳感器敏感元長度選為30 mm。

3 傳感器標定實驗與結果分析

3.1 標定實驗

搭建超聲測溫平臺，超聲回波測溫系統(tǒng)包括超聲脈沖發(fā)射接收電路、現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)信號采集電路、高溫檢定爐、超聲換能器、高溫傳感器以及LabVIEW軟件系統(tǒng)部分如圖2所示。

圖2 實驗平臺

當LabVIEW上位機向FPGA發(fā)送采集命令后，數(shù)據(jù)采集電路發(fā)出一定數(shù)量的脈沖作用到超聲發(fā)射電路的高壓模塊，激發(fā)出一定強度的電信號作用到超聲換能器上產(chǎn)生超聲波，超聲波經(jīng)過波導桿到達高溫傳感器產(chǎn)生超聲回波，超聲回波作用到超聲換能器上產(chǎn)生電信號，經(jīng)由超聲接收電路放大濾波處理，數(shù)據(jù)采集電路將回波信號采回并由LabVIEW上位機處理，解耦出當前溫度下對應的時差信息。

將超聲溫度傳感器與溫控儀的控溫熱電偶一同放置于高溫檢定爐的恒溫區(qū)中心的同一位置，高溫檢定爐每升溫100 ℃，等待溫控儀溫度穩(wěn)定以及高溫傳感器熱平衡之后，采集一次超聲回波數(shù)據(jù)以及當前溫控儀溫度值，高溫檢定爐加熱范圍為常溫到1 800 ℃，將超聲溫度傳感器加熱至1 800 ℃再降溫至常溫，如此進行4次實驗。第一次實驗作為傳感器退火處理，對后三次升降溫實驗采回的回波信號進行分析處理。回波信號中包含節(jié)點波、端點波以及端點波在節(jié)點處反射回端點產(chǎn)生的二次反射回波，如圖3所示。