基于聲表面波的電站鍋爐受熱面溫度監(jiān)測傳感器研究

王鑫雨，侯哲帆,李鴻源，徐 鴻

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引言

隨著火電機組蒸汽參數(shù)的提高，鍋爐高溫受熱面材料逼近材料許用極限，因此避免受熱面超溫運行對保障機組安全性具有重要意義。目前受限于惡劣環(huán)境中溫度傳感技術(shù)，對火電機組鍋爐受熱面溫度監(jiān)測主要以間接測量為主，直接測量方案較少?；诼暠砻娌ǖ臏囟葴y量方法已應(yīng)用于常溫環(huán)境，該方法具有無線無源的特點，也具備應(yīng)用于高溫環(huán)境中的潛力。因此，本文以電站鍋爐高溫受熱面溫度監(jiān)測為背景，對高溫環(huán)境下聲表面波溫度傳感器進行研究，為電站鍋爐受熱面壁溫在線直接測量提供理論指導。

本文建立聲表面波溫度傳感器有限元模型，模擬得到不同電極材料及電極厚度下的傳感器性能參數(shù)，并進行對比分析；在模擬研究基礎(chǔ)上，制備聲表面波高溫傳感器，并對傳感器高溫適用性進行實驗研究。

1 基于聲表面波的無線測溫原理

1.1 測溫原理

聲表面波溫度傳感器的測溫原理是壓電基底材料在射頻電激勵信號的作用下，由于逆壓電效應(yīng)將會在壓電材料表面激勵出聲表面波，當外界信號頻率f等于傳感器固有頻率f0時，聲信號在諧振器中同相疊加，形成諧振駐波，傳感器發(fā)生諧振。傳感器達到諧振時的固有頻率f0與溫度有關(guān)，通過測量諧振頻率，從而達到溫度傳感的目的。

聲表面波溫度傳感器的核心部件為溫度傳感單元，電-聲(振動)-電轉(zhuǎn)換主要在該傳感單元上實現(xiàn)。溫度傳感單元由壓電基底材料和其上覆蓋的電極柵欄組成，因此溫度傳感單元中的壓電材料和電極材料是聲表面波溫度傳感器高溫應(yīng)用的重要影響因素。文中將對壓電基底材料和電極材料進行分析比較和選擇。

1.2 傳感器高溫壓電基底材料選擇

在常溫環(huán)境中，聲表面波(SAW)傳感器一般采用PZT壓電材料作為壓電基底材料。但是PZT壓電材料無法在高溫環(huán)境中應(yīng)用，目前可耐受高溫的壓電材料性能參數(shù)如表1所示[1-7]。

表1 壓電基底材料性能對比

從表1中可以看出，石英、鈮酸鋰和鉭酸鋰的失效溫度相對較低，約為400～600 ℃。而硅酸鎵鑭的高溫穩(wěn)定性更好，從室溫到熔點1 470 ℃均可保持壓電性。因此，本文中選擇了硅酸鎵鑭作為SAW高溫傳感器的壓電基底材料。

2 聲表面波高溫傳感器電極影響模擬研究

2.1 高溫傳感器有限元模型

2.1.1 幾何模型

圖1(a)是聲表面波溫度傳感器的簡化結(jié)構(gòu)模型，由壓電基底材料和表面電極組成。由于聲表面波波長遠小于傳感器寬度，因此可將傳感器簡化為二維模型。為進一步減小計算量，抽取單對叉指結(jié)構(gòu)作為計算單元，通過在單對叉指兩端設(shè)置周期性邊界條件，可以準確快速地對聲表面波高溫溫度傳感器聲波的傳播特性進行仿真。SAW傳感器二維叉指模型可以在保證模型可靠性的同時，大幅降低計算量，提高仿真效率。二維單對叉指結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)見表2。

(a)二維叉指簡化示意圖

表2 叉指換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.2 邊界條件與網(wǎng)格設(shè)置

壓電基底材料的厚度遠大于電極層厚度。對于彈性力學邊界條件：設(shè)定壓電介質(zhì)上表面為自由邊界條件；壓電基底材料的底邊設(shè)定為固定約束。對于靜電邊界設(shè)置：將電極所有外邊，一側(cè)終端邊界設(shè)置為接地，另一側(cè)終端邊界設(shè)置為表面電荷積累為零的“懸浮電位”，左右兩邊界設(shè)置為周期性條件，叉指結(jié)構(gòu)中2個周期性的垂直邊界兩端電勢和位移相同。

在計算速度允許的情況下，為了保證模型的精確度，根據(jù)模型的形狀選擇自由四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖1(b)所示。使用物理場控制網(wǎng)格從壓電基底材料底部到頂端電極側(cè)逐漸密集。四邊形單元數(shù)為1 126，最小單元質(zhì)量為0.426 8，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

2.2 聲表面波位移分布云圖

利用特征頻率分析可以得到多種不同的模態(tài)振型圖，其中得到聲表面波器件的瑞利波振型如圖2所示。

(a)對稱模態(tài)位移分布

如圖2(a)，頻率fM-=350.51 MHz時，單對叉指對兩側(cè)位移量最大，聲表面波傳播損耗最小。最大位移點如圖2(a)所示，該振動位移可以作為衡量激發(fā)聲表面波振動強度的重要標準，當使用不同頻率的激勵信號進行掃頻時，質(zhì)點在頻率達到諧振頻率時，質(zhì)點位移最大。

圖2(b)是反對稱模態(tài)，頻率fM+=350.77 MHz，此時振動能量集中在兩電極之間，單對叉指兩側(cè)位移量最小，聲表面波傳播損耗最大。同時由圖2(b)可以看出聲表面波能量集中在壓電基底材料6～8 μm深度范圍內(nèi)，約等于聲表面波一個波長。

2.3 電極材料種類及厚度影響

為了獲得不同電極材料和厚度對聲表面波高溫傳感器的影響規(guī)律，選擇Au，Cu，Pt 3種不同材料作為電極材料，對具有不同電極厚度的傳感器進行仿真模擬，得到如圖3所示電極厚度和波長的比值和對稱特征頻率及最大位移間的關(guān)系。為便于比較，使用電極厚度與設(shè)計波長λ的比值作為電極厚度表征參數(shù)。

圖3 電極厚度和波長的比值和對稱特征頻率及最大位移間的關(guān)系

如圖3三條虛線曲線所示，電極的材料和厚度對SAW傳感器的特征頻率均有一定的影響。3種不同電極薄膜材料的SAW傳感器的特征頻率隨電極厚度增加均呈現(xiàn)下降的趨勢，Cu電極器件的特征頻率隨電極厚度下降的速度低于Au電極與Pt電極，Au電極和Pt電極器件的對稱特征頻率特性基本相似。其中在相同電極厚度的情況下，Au電極和Pt電極器件的特征頻率整體低于Cu電極器件，其中Pt電極器件的特征頻率最低。對比3種電極材料的物理性質(zhì)，3種電極材料都屬于電的良導體，所以材料的質(zhì)量密度是影響SAW傳感器對稱特征頻率的主要因素，即表面質(zhì)量加載效應(yīng)。因此在設(shè)計SAW傳感器時，表面質(zhì)量加載效應(yīng)是影響特征頻率的重要因素。

圖3三條實線所繪曲線表示了在線寬、壓電基底材料等條件不變的情況下，SAW傳感器對稱模式下最大表面位移與電極材料以及厚度的關(guān)系。由圖中可以看出，3種不同材料諧振時質(zhì)點的位移隨電極厚度的增加先增加后降低，其中Pt和Au在頻率上的變化趨勢類似。在電極厚度與設(shè)計波長的比值大于0.04時，三種電極材料的最大位移都處于低值，表明聲表面波的傳播損耗迅速增加，之后最大質(zhì)點位移的變化趨于平緩。高溫聲表面波溫度傳感器的電極厚度應(yīng)盡可能降低，但厚度太低將會使電極的阻抗增加，使信號強度降低。因此SAW傳感器在高溫應(yīng)用時應(yīng)精確計算電極厚度。

3 聲表面波溫度傳感器的高溫實驗研究

3.1 聲表面波高溫傳感器的制備

為了對聲表面波溫度傳感器的高溫特性進行研究，基于硅酸鎵鑭壓電晶片設(shè)計了一種諧振頻率約為350 MHz的高溫聲表面波溫度傳感器。傳感器由壓電基體和基體表面電極組成，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，實物圖如圖5所示。

(a)傳感器芯片結(jié)構(gòu)圖

(a)傳感器芯片實物圖

壓電基體材料選擇0.5 mm厚度的硅酸鎵鑭單晶；基體表面電極由三部分組成，分別是位于中間的聲表面波激發(fā)接收電極，該電極采用均勻叉指結(jié)構(gòu)，以及位于兩側(cè)的用于反射調(diào)制聲表面波的反射柵電極結(jié)構(gòu)。綜合可加工性及成本考慮，選擇Au作為電極材料，為了保證Au電極與硅酸鎵鑭間的附著力，需要在Au電極與壓電基底材料之間鍍1層10 nm的Ti作為粘結(jié)層。傳感器詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 傳感器芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)

傳感器電極加工使用的剝離工藝(lift-off)，制作完成的傳感器芯片如圖5所示。

3.2 實驗平臺及方法

測試平臺如圖6所示。將傳感器芯片叉指換能器兩端與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(型號為E5061A)的port1端口相連，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生傳感器諧振頻率周圍的掃頻信號，對聲表面波高溫溫度傳感器進行掃頻詢問，當激勵頻率與器件固有頻率一致時，S11參數(shù)出現(xiàn)峰值，峰值對應(yīng)的頻率就是器件的諧振頻率，根據(jù)頻率與溫度的關(guān)系就可以達到測溫的目的。

(a)實驗平臺示意圖

圖6是高溫測試平臺實物圖，高溫測試的溫度環(huán)境由鈦合金微型控溫加熱臺控制，通過無機高溫膠將高溫K型熱電偶與傳感器芯片固定在加熱臺同一位置，作為溫度標定熱電偶的測溫儀選用K型測溫儀。

3.3 實驗結(jié)果分析

3.3.1 頻率溫度特性

經(jīng)過對傳感器的測試，本次試制的傳感器完成了室溫(25 ℃)到300 ℃的溫度測量。圖7為向傳感器發(fā)射掃頻信號之后不同頻率對應(yīng)的S11參數(shù)的值，為了方便比較，將傳感器不同溫度對應(yīng)的S11放置在一起。提取各溫度下散射系數(shù)S11的峰值對應(yīng)的頻率，得到諧振頻率隨溫度的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖7 不同溫度下S11分布

圖8 頻率-溫度曲線

如圖7所示，隨著溫度的逐漸升高，S11參數(shù)峰值的絕對值逐漸減小且聲表面波溫度傳感器的諧振頻率逐漸降低，這說明聲表面波的傳播損耗逐漸增大，使溫度信號的能量逐漸下降，傳播損耗增加可能是由于電極退化導致。由圖8可知，聲表面波高溫溫度傳感器在常溫下的諧振頻率為343.75 MHz，可以算出此時聲表面波在硅酸鎵鑭介質(zhì)中的傳播速度為2 750 m/s，與模擬中的速度2 805 m/s接近，說明有限元仿真結(jié)果可靠。傳感器諧振頻率隨溫度呈現(xiàn)下降趨勢，當溫度為300 ℃時，諧振頻率為342.13 MHz，從室溫到300 ℃，溫度靈敏度為5.89 kHz/℃，可見以硅酸鎵鑭為壓電基底材料的溫度傳感器擁有良好的溫度靈敏性。此外，隨著溫度的逐漸升高，溫度靈敏度逐漸增加。

3.3.2 耐高溫性能

通過測量不同溫度下高溫溫度傳感器的導納參數(shù)，可對不同溫度下器件的機電耦合系數(shù)K2進行計算，如圖9數(shù)據(jù)點所示，得到擬合曲線如圖9中虛線曲線所示，表明隨著溫度的逐漸增加，傳感器的K2先增加后減少，在250 ℃左右傳感器的K2開始下降，這說明鍍金電極開始發(fā)生退化。

圖9 機電耦合系數(shù)隨溫度的變化

圖10為溫度傳感器3次升溫的頻率溫度關(guān)系圖。由圖10可以看出，3次升溫的頻率結(jié)果中，同一溫度下的諧振頻率結(jié)果相近，說明制備的聲表面波高溫溫度傳感器在高溫環(huán)境下?lián)碛休^好的測溫穩(wěn)定性。

圖10 傳感器升溫實驗頻率溫度關(guān)系

4 結(jié)束語

選擇硅酸鎵鑭作為壓電基底材料，高溫穩(wěn)定性能好，擁有良好的機電耦合、頻率溫度系數(shù)，相速度相對其他晶體較小。

進行有限元模擬，模擬結(jié)果顯示，電極厚度相同時，Au電極和Pt電極器件的對稱特征頻率特性基本相似，整體比Cu低；3種不同電極材料，諧振時質(zhì)點的位移隨電極厚度的增加先增加后降低，其中Pt和Au在頻率上的變化趨勢類似。

進行高溫實驗驗證，實驗結(jié)果表明，在常溫下聲表面波在硅酸鎵鑭介質(zhì)中的傳播速度與模擬中的速度接近，說明有限元仿真模型計算結(jié)論相對可靠；傳感器諧振頻率隨溫度呈現(xiàn)下降趨勢，溫度靈敏度較好為5.89 kHz/℃；250 ℃時鍍金電極開始退化，機電耦合系數(shù)降低；多次升溫測試結(jié)果顯示，同一溫度下頻率相近，證明高溫時聲表面波溫度傳感器的測溫穩(wěn)定性較好。