Mo-Re合金超聲導波諧振式溫度傳感器設計

2022-02-28 13:52:14薛程顥肖旭東李景林

傳感器與微系統 2022年2期

薛程顥，楊錄，肖旭東，李景林

(中北大學信息與通信工程學院電子測試國家重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

溫度的精確測量和準確控制一直是人們研究的重點和熱點。一方面，在金屬冶煉和電力系統等領域，如煉鋼廠熱風爐頂溫度測量、蒸汽爐等設備的高溫檢測應用，其設備內部溫度的實時監測是工業生產安全運行的前提和保障[1]；另一方面，隨著超高速飛行器和先進發動機等重點裝備的發展，裝備中的某些關鍵部件處于燃燒或高速摩擦導致的超高溫環境中，對這種長時間超高溫環境中的溫度測量就顯得尤為重要，測溫傳感器除需具有較高耐溫和抗振性能外，還應具備高溫長時工作的可靠性與穩定性[2,3]。

但是，國內對1 600 ℃以上超高溫環境長時間測量缺乏有效的測試手段，對于這種極端環境下的溫度測試，熱電偶測溫法和輻射測溫法是使用較多的兩種方法。熱電偶測溫法由于響應速度、熱電偶材料特殊等方面的制約，測溫上限不高[4]。輻射測溫法在測量過程中易受到環境影響以至誤差較大[5]。超聲導波測溫是一種接觸試測溫方法，具有測溫范圍寬、精度高、響應時間短等優點[6]。超聲測溫理論起源較早，早在17世紀80年代，牛頓就發現了聲速和溫度之間的相關性[7]。利用超聲波在傳感器中的傳播速度隨溫度變化而變化，通過計算聲速間接測得當前環境溫度值。近年來，各國學者對超聲波測溫技術的研究已經很深入。如2015年，Zazab G等人將高頻超聲換能器應用于核反應堆水溫測試，并設計了高速數字采集儀，采樣率達70 MHz。國內，許琳等人研制的銥銠合金超聲測溫傳感器測溫范圍可達1 600 ℃，但國內對超聲測溫的研究相較于國外先進水平仍有較大差距，因此很有必要進行深入研究[8]。

針對上述測溫現狀，本文選用了鉬錸(Mo-Re)合金超聲導波諧振測溫法解決傳感器在1 800 ℃高溫環境測溫問題。

1 超聲導波諧振測溫原理

超聲波在固體中的傳播速度為[9]

(1)

式中E為固體材料的彈性模量，ρ為固體材料的密度，同一材料的在不同的溫度下有不同的微觀組織，反映為材料的彈性模量和密度不同，由式(1)可得超聲波在材料中的傳播速度與溫度具有單調函數關系，這為超聲測溫提供了理論基礎[10]。

超聲導波諧振測溫裝置如圖1所示，由脈沖發生器、示波器、頻率計、磁致伸縮換能器、波導絲和敏感元組成。其中，諧振器(敏感元)是使用鉬錸合金制作的一個半波長錐柱結構體，用于獲取高溫區溫度變化，其實物如圖2所示。當波導中的超聲波頻率與該結構體的固有頻率相同時，結構體諧振，且諧振回波具有特殊形狀，結構體諧振頻率不僅與材料有關，也受到環境參數的影響，因此可以用來反應溫度的變化。

圖1 諧振測溫原理

鐵鎵合金波導絲將超聲波導入被測材料(鉬錸合金)中。磁致伸縮換能器用于實現超聲脈沖的發射和接收。鐵磁性波導絲在磁致伸縮效應下發生周期性形變[11]。以同頻超聲波的形式沿波導桿向諧振器傳播，遇到末端的諧振器時發生反射疊加、能量儲存和衰減釋放。反射超聲波沿波導桿傳播到達換能器，引起換能器附近的磁場發生變化，在線圈中產生感應電壓，聲能轉換為電能，其回波如圖1中波形所示。

圖2 敏感元實物

敏感元的諧振頻率與超聲波速度具有單值函數關系如式(2)，聯立式(1)通過測量不同溫度下的諧振頻率，即可得到被測溫度

(2)

式中m為諧振器模態階數，L為諧振器的長度，C為材料中超聲導波聲速。

超聲回波信號由反射波和諧振器的自由衰減波兩部分組成，超聲波入射到諧振器，當入射波的頻率和諧振器固有頻率相同時，入射波和諧振器反射波互相疊加，回波信號交叉過零點，諧振器處于諧振狀態。入射波結束時，儲存在諧振器的能量以諧振器的固有頻率向波導反射，能量衰減函數如式(3)

An=A0(-nπ/Q)

(3)

式中A0為回波初始幅度，An為n次振蕩后幅度，Q為諧振器的品質因子。

因此，通過諧振頻率自動跟蹤電路使其與敏感元諧振頻率相同，利用回波信號交叉過零點判斷敏感元處于諧振狀態，把對溫度的測量轉換為對頻率的測量。

2 超聲測溫傳感器的設計

2.1 傳感器材料

溫度傳感器的測溫范圍由傳感器的材料決定，所選材料要求具有良好的傳聲性能并且對溫度敏感[12]。由于所測高溫場溫度能達到1 800 ℃，要求材料必須有足夠高的熔點，在高溫環境中要有穩定的物理和化學特性。相對于晶體材料，金屬材料具有更好的延展性和可塑性，因此一般采用金屬或金屬合金制作溫度傳感器。鉬是一種難熔稀有金屬，熔點高達2 620 ℃。在所有的工程材料中，鉬具有最低的熱膨脹系數，熱導性能好，常溫和高溫強度都很高。然而，純金屬鉬在常溫下比較脆，容易氧化，這些缺陷都限制了純金屬鉬的應用[13]。但在摻入錸元素后，不但可以改善鉬的常溫性能，還可以提高鉬的高溫性能。此外，鉬錸合金具備良好的傳聲性能，對溫度很敏感，所以鉬錸合金更適合做傳感器材料。

2.2 傳感器敏感元件

不同結構的敏感元，其諧振頻率和溫度具有不同的單值函數關系。本文選用一種結構簡單且易于加工的半波長諧振器用于研究，其形狀如圖3所示，由圓柱和圓錐兩部分組成。

圖3 敏感元結構

圓錐部分是超聲聚能器放大部分，可將超聲能量聚焦到小錐面上，右端圓柱部分的固有頻率與超聲換能器頻率相等時，將處于諧振狀態。諧振器因其長度L2=λ/2，故也稱為半波長諧振器。dR為諧振器直徑，和聲波導桿直徑相同，dN為錐軸小端。

根據式(2)，室溫下，縱波在鉬錸合金中聲速C實測為5 664 m/s，m=1(諧振器一階模態)，諧振器頻率設定為150 kHz；計算可得，波長λ為38 mm，則諧振器長度L2為19 mm，L1為9.5 mm。

諧振器的Q因子對于諧振式高溫傳感器來說是一個重要的參數，其表達式為

(4)

式中ω為回波存儲能量；Δω為回波在每周期損失的能量。能量損耗Qc表示在m階模態下，諧振器能量損失僅由耦合造成時的耦合Q因子。通過設計使得Qc為50。

半波長諧振器Qc滿足式(5)

Qc=(2m-1)×π/2r2

(5)

式中r為圓錐體和諧振器的阻抗比，由式(6)確定

(6)

式中ρN，ρR分別為圓錐體和諧振器材料的密度；CN，CR為縱波在圓錐體、諧振器中的傳播速度；AN，AR為圓錐體錐頭和諧振器的橫截面積，分別用式(7)、式(8)表示

AN=π(dN/2)2

(7)

AR=π(dR/2)2

(8)

諧振器和波導桿為一體，所以ρN=ρR，縱波在傳感器中傳播速度CN=CR。諧振器直徑dR=2 mm，當Qc為50，m為1(諧振器一節模態)，得到聚能器小端直徑dN=0.83 mm。

3 實驗與結果分析

3.1 實驗平臺

超聲諧振測溫平臺由傳感器、1 800 ℃高溫檢定爐、超聲發射/接收電路、頻率跟蹤儀、示波器組成，如圖4所示。

圖4 實驗標定系統

3.2 實驗過程

首先在真空箱中密封傳感器，使敏感區截不與密封管底部接觸，連接超聲發射/接收電路、頻率跟蹤儀、傳感器及高溫檢定爐，搭建標定實驗系統。調節電路中振蕩周期為7，則產生14周期的超聲信號。根據示波器及頻率跟蹤儀，調節波形產生諧振現象，記錄此時室溫諧振頻率。按照1 800 ℃高溫檢定爐使用規則，調節爐溫在常溫至1 800 ℃變化，每100 ℃保持3～5 min，調節頻率跟蹤儀，使得波形出現諧振現象，記錄此時數據。