基于磁致伸縮式超聲導(dǎo)波測溫技術(shù)基礎(chǔ)研究*

魏艷龍，王　高，郭　倩，郭亞飛，楊　錄，李仰軍

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原　030051；2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原　030051；3.北京自動化控制設(shè)備研究所，北京　100074）

基于磁致伸縮式超聲導(dǎo)波測溫技術(shù)基礎(chǔ)研究*

魏艷龍1，2，王高1，2，郭倩3，郭亞飛1，2，楊錄3，李仰軍1，2

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074）

溫度是科學(xué)研究中最普遍的物理量，也是生產(chǎn)精密儀器的重要參數(shù)，然而國內(nèi)對于高溫環(huán)境除熱電偶測溫傳感器外尚無可靠的原位測試方法。依據(jù)超聲導(dǎo)波測溫的原理，設(shè)計出一套基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波測溫裝置，測試了該裝置在常溫以及常溫（12℃）～600℃的運(yùn)行情況。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置可以在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，并且得到常溫（12℃）～600℃范圍內(nèi)的起始聲波和端面回波之間時間間隔Δt與介質(zhì)溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，為2 000℃以上的高溫測量奠定了基礎(chǔ)。

磁致伸縮，超聲導(dǎo)波，溫度探測，DDS；超聲溫度計

0　引言

長時間、高溫環(huán)境中溫度參數(shù)的原位動態(tài)獲取，是解決航空發(fā)動機(jī)燃燒室超溫控制、固體火箭發(fā)動機(jī)隔熱層質(zhì)量比、高速飛行器外形載荷優(yōu)化設(shè)計以及溫壓彈毀傷效能評估等難題的基礎(chǔ)難題［1-2］。目前，熱電偶測溫因其較高的靈敏度和精確度，它常被用于工業(yè)中溫度的原位在線監(jiān)測，近些年發(fā)展的也較為成熟。但是在測量時易受到響應(yīng)速度、熱電偶材料特殊性等方面的制約，使得獲取2 000℃以上的高溫，實(shí)現(xiàn)在長時間高溫環(huán)境下的在線監(jiān)測以及控制工作都難以實(shí)現(xiàn)［3-4］。20世紀(jì)60年代美歐等發(fā)達(dá)國家，開展超聲波測溫法的研究，為長時間超高溫環(huán)境中溫度參數(shù)測試帶來了希望，它在測試核燃料堆堆芯溫度時達(dá)到了2 860℃［5］。我國在超聲測溫領(lǐng)域的研究較為分散，基礎(chǔ)性不足，取得的成果難以推廣，不能為相關(guān)項(xiàng)目測試工作提供有效支撐。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)長時間在高溫環(huán)境下的動態(tài)溫度測量，本文設(shè)計了一種以磁致伸縮棒作傳感器的超聲導(dǎo)波測溫裝置。首先將該棒直接與高溫爐溫場接觸，再通過聲學(xué)速度與溫度的關(guān)系，最終換算得到實(shí)時的溫度參數(shù)，從而達(dá)到測量溫度的目的。

1　原理

1.1材料磁致伸縮原理

磁致伸縮式傳感器是基于材料的正磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)工作的。當(dāng)磁致伸縮材料置于磁場中時，它的幾何尺寸會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為正磁致伸縮效應(yīng)，英國物理學(xué)家焦耳（Joule）于1842年發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象，故又稱為焦耳效應(yīng)［6-7］。當(dāng)長度為L的鐵磁材料，在磁化方向上的伸長量為ΔL時，該鐵磁材料的磁致伸縮系數(shù)為λ=ΔL/L，如圖1。此后有關(guān)鐵及其合金的磁彈性問題得到了進(jìn)一步討論與研究，其中包括磁致伸縮材料受外力引起磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的逆磁致伸縮效應(yīng)，即維拉利（Villari）效應(yīng)。鐵磁材料在螺旋變化的磁場里，發(fā)生扭曲變形的維德曼（Wiedemann）效應(yīng)等［8］?；诓牧系恼胖律炜s效應(yīng)，可以獲得磁致伸縮材料在瞬間變化的磁場中，激勵質(zhì)點(diǎn)振動規(guī)律的超聲波場。同理，超聲波場也可以使材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，即逆磁致伸縮效應(yīng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展磁致伸縮式超聲導(dǎo)波傳感器已經(jīng)取得了較成熟的理論與成果［6］，如磁致伸縮導(dǎo)波檢測設(shè)備在石油管道檢測領(lǐng)域的應(yīng)用等。

1.2超聲波測溫原理

超聲測溫的原理，是基于波導(dǎo)介質(zhì)的彈性參數(shù)與超聲波速度有固定的函數(shù)關(guān)系，因而測得超聲波速度就可以獲得介質(zhì)溫度［9-11］。例如，把一根長度一定的細(xì)金屬桿插入被測介質(zhì)中，讓聲波沿此桿傳播，由于固體中聲速隨溫度升高而下降，利用聲速與溫度的這一相關(guān)性，只要測得聲速就可得到波導(dǎo)（即被測介質(zhì)）的溫度。對于勻質(zhì)且截面均勻的波導(dǎo)，聲波在其中的傳播速度

式中：E為材料的楊氏彈性模量，kg/（s2·m）；ρ為材料的密度，kg/m3。

2　超聲波測溫系統(tǒng)的設(shè)計

2.1超聲測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

超聲導(dǎo)波測溫系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：脈沖發(fā)生器1、磁致伸縮換能器2、發(fā)射線圈3、接收線圈4、金屬引入線5、測溫敏感結(jié)構(gòu)6、放大器7、顯示器8、耐高溫保護(hù)套管9。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　超聲測溫系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

用于聲波傳播的傳感器材料可以由多種金屬制成，結(jié)構(gòu)上可以制成桿狀、條狀、絲狀。超聲波在傳播中遇到聲阻抗變化的地方會產(chǎn)生部分反射（不同介質(zhì)或介質(zhì)界面尺寸發(fā)生變化）。據(jù)此可以在傳感材料中設(shè)置若干介質(zhì)界面尺寸發(fā)生變化的節(jié)點(diǎn)。通過測量超聲脈沖在傳感材料中節(jié)點(diǎn)反射波的傳播時間差來測定聲速，進(jìn)而通過聲速與溫度的關(guān)系得到溫度。這種方法稱為區(qū)截測速。為了提高精度，一般測量多個節(jié)點(diǎn)，得到傳播聲速的平均值。超聲測溫技術(shù)的研究和應(yīng)用為一些極端條件下的溫度測量提供了一種有效途徑。

2.2傳感器、線圈參數(shù)設(shè)計

傳感器選用直徑為3 mm、型號為1J22的磁致伸縮棒。1J22是高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵鈷釩合金，在現(xiàn)有軟磁材料中該合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度最高（2.4 T），居里點(diǎn)也最高（980℃），飽和磁致伸縮系數(shù)最大（60～100*10-6）［12］。合理的纏繞線圈是實(shí)現(xiàn)機(jī)電信號的先決條件，因而傳感器中線圈的設(shè)計對激發(fā)超聲的幅值、頻率都有重大影響。

在一般情況下，線圈參數(shù)的選取情況主要考慮線圈的長度、電阻和電感3個方面的因素：

2.2.1線圈長度

線圈長度應(yīng)取激發(fā)超聲波1/2波長的整數(shù)倍［13］，經(jīng)過對本文設(shè)計的傳感器分析計算得知，線圈長度為4 mm，線圈可多層纏繞。

2.2.2線圈電阻

由細(xì)導(dǎo)線等效電阻公式為：

式中：ρ為導(dǎo)線材料密度，l為導(dǎo)線長度，S為導(dǎo)線橫截面積。

2.2.3線圈電感

在線圈等效電路模型中，線圈的靜態(tài)電感與電阻是線圈的重要參數(shù)，多層圓柱形線圈電感為［14-15］：

式中：h為螺線型線圈的繞線厚度；D為螺線型線圈的平均直徑；n為螺線型線圈繞線匝數(shù)；l為螺線型線圈的繞線長度；C為的函數(shù)；K為的函數(shù)；

因此，通過上式，設(shè)計及繞制激勵線圈，線圈參數(shù)如表1所示。

表1　激勵線圈參數(shù)

3　超聲測溫實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置由信號激發(fā)裝置、接收裝置、一根直徑為3 mm長度為604 mm的磁致伸縮棒、磁極、線圈、高溫爐和示波器。其中激發(fā)裝置是基于DDS技術(shù)設(shè)計的窄帶脈沖激勵信號，如圖3。接收裝置為1 000倍信號放大電路。

圖3　DDS脈沖信號圖

3.1常溫下測試穩(wěn)定性

由于超聲導(dǎo)波溫度測量系統(tǒng)的測量完全取決于超聲導(dǎo)波傳播速度的測量，即超聲導(dǎo)波的時間差Δt的測量。測得的超聲導(dǎo)波時間差為超聲起始脈沖與磁致伸縮棒終端的回波時間差。

使用FPGA連續(xù)工作，輸出超聲導(dǎo)波波形，測量超聲導(dǎo)波傳播時間Δt。該組試驗(yàn)測量的目的是在室溫下（相對穩(wěn)定）的環(huán)境中，連續(xù)重復(fù)測量超聲導(dǎo)波的傳播時間Δt，觀察其超聲導(dǎo)波傳播時間的穩(wěn)定性以及重復(fù)性，從而判斷超聲導(dǎo)波溫度系統(tǒng)對傳播時間測量的效果。

如表2所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在室內(nèi)溫度保持12℃的條件下連續(xù)測量12個小時，每1個小時測得的1個超聲導(dǎo)波傳播時間差Δt。

表2　傳播時間表

從表2中可以看出，超聲導(dǎo)波傳播時間差的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，在工作的12個小時里，傳播時間差大部分都在268.33 μs左右，說明該裝置的重復(fù)性、穩(wěn)定性相對比較好。以上時間測量都是通過示波器來測量，在超聲導(dǎo)波測溫可行的條件下，應(yīng)該在研究超聲導(dǎo)波傳播特性的前提下，采用互相關(guān)算法設(shè)計超聲導(dǎo)波測時儀來測量超聲導(dǎo)波傳播時間，進(jìn)而可以提高系統(tǒng)的精確度。

3.2高溫下測溫實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖4，首先將超聲發(fā)射裝置及接收裝置連接完畢。線圈與磁極安裝在磁致伸縮棒的一端的合適位置。將另一端升入恒溫爐的加熱室內(nèi)加以固定。實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)高溫爐，每隔50℃測量超聲回波時間，測得的超聲波時間為超聲起始脈沖與磁致伸縮棒在恒溫爐內(nèi)頂端的回波時間差。另外在磁致伸縮棒上的加工一個深度為1 mm，軸向長度為1 mm的凹槽，來驗(yàn)證截面突變處，是否會產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號。

圖4　實(shí)驗(yàn)裝置

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖5，可以較為明顯地看到超聲波在凹槽處以及終端的回波信號。在常溫（12℃）時起始超聲導(dǎo)波與端面回波之間的時間間隔為268.36 μs，當(dāng)高溫爐溫度為500℃時起始超聲導(dǎo)波與端面回波之間的時間間隔為293.24 μs。

圖5　超聲波測溫波形圖

將傳感器在常溫（12℃）～600℃測得的延遲時間，輸入origin軟件作出圖表，如圖5所示，從圖可知在常溫（12℃）～600℃內(nèi)，高溫爐每升高100℃，起始超聲導(dǎo)波與端面回波之間的時間間隔增加大約5μs，且該時間間隔與溫度之間具有很好的線性關(guān)系。

圖6　溫度與回波時間差關(guān)系圖

5　結(jié)論

為解決系統(tǒng)在長時間超高溫環(huán)境下的動態(tài)溫度測量問題，開展了一種以磁致伸縮棒作傳感器的超聲導(dǎo)波測溫研究。這種傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、適合復(fù)雜惡劣的測溫環(huán)境，可廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)測量領(lǐng)域。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在常溫（12℃）～600℃范圍內(nèi)工作時具有很好的可靠性。由于磁致伸縮棒的居里點(diǎn)（980℃）限制，原則上實(shí)驗(yàn)中恒溫爐加熱溫度不應(yīng)高于980℃，但是當(dāng)恒溫爐加熱到700℃時，以磁致伸縮棒作傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置，信號信噪比極差，不適合作為測量高溫的傳感器。接下來為探索長時間2 000℃以上的原位測量技術(shù)，將會在磁致伸縮棒前焊接鎢、釷等耐高溫金屬。使耐高溫金屬傳感器工作在高溫端，而激發(fā)、接收裝置在低溫端工作，這樣就可以解決磁致伸縮材料的居里點(diǎn)限制測溫上限的問題。

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Basic Study on Temperature Detection Based on Magneto Strictive Ultrasonic Guide Wave

WEI Yan-long1，2，WANG Gao1，2，GUO Qian3，GUO Ya-fei1，2，YANG Lu3，LI Yang-jun1，2
（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement Ministry of Educations，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Lab for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China；3.Beijing Automation Control Equipment Institute，Beijing 100074，China）

Temperature is a physical quantity which has widely applied in scientific research. Also，it is a key parameter in the production of precision instrument.In addition to the thermocouple，there is not a reliable method for in-suit temperature detection above 2000℃.This document is about ultrasonic guide wave testing temperature.Ultrasonic thermometers（UTS），which is based on the principle of Magnetostrictive，has been designed for testing temperature.The experiment shows that UTs can work well in 12～600℃.It can get the linear relationship between temperature and the ultrasonic flight time.This technology has laid a solid foundation for detecting ultrahigh temperature.

magnetostrictive，ultrasonic guide wave，temperature detection，DDS，UTS

TP212.1

A

1002-0640（2016）07-0171-04

2015-06-05

2015-07-07
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國家安全重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計劃基金資助項(xiàng)目（“973”計劃）（6132★★★★★★）

魏艷龍（1989-），男，山西壽陽人，在讀碩士研究生。研究方向：超高溫環(huán)境下瞬態(tài)溫度參數(shù)測試。