基于磁致伸缩式超声导波测温技术基础研究*

魏艳龙，王　高，郭　倩，郭亚飞，杨　录，李仰军

（1.中北大学电子测试技术国防重点实验室，太原　030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原　030051；3.北京自动化控制设备研究所，北京　100074）

基于磁致伸缩式超声导波测温技术基础研究*

魏艳龙1，2，王高1，2，郭倩3，郭亚飞1，2，杨录3，李仰军1，2

（1.中北大学电子测试技术国防重点实验室，太原030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；3.北京自动化控制设备研究所，北京100074）

温度是科学研究中最普遍的物理量，也是生产精密仪器的重要参数，然而国内对于高温环境除热电偶测温传感器外尚无可靠的原位测试方法。依据超声导波测温的原理，设计出一套基于磁致伸缩效应的超声导波测温装置，测试了该装置在常温以及常温（12℃）～600℃的运行情况。实验表明，该装置可以在高温环境下稳定运行，并且得到常温（12℃）～600℃范围内的起始声波和端面回波之间时间间隔Δt与介质温度之间的对应关系，为2 000℃以上的高温测量奠定了基础。

磁致伸缩，超声导波，温度探测，DDS；超声温度计

0　引言

长时间、高温环境中温度参数的原位动态获取，是解决航空发动机燃烧室超温控制、固体火箭发动机隔热层质量比、高速飞行器外形载荷优化设计以及温压弹毁伤效能评估等难题的基础难题［1-2］。目前，热电偶测温因其较高的灵敏度和精确度，它常被用于工业中温度的原位在线监测，近些年发展的也较为成熟。但是在测量时易受到响应速度、热电偶材料特殊性等方面的制约，使得获取2 000℃以上的高温，实现在长时间高温环境下的在线监测以及控制工作都难以实现［3-4］。20世纪60年代美欧等发达国家，开展超声波测温法的研究，为长时间超高温环境中温度参数测试带来了希望，它在测试核燃料堆堆芯温度时达到了2 860℃［5］。我国在超声测温领域的研究较为分散，基础性不足，取得的成果难以推广，不能为相关项目测试工作提供有效支撑。

为了能够实现长时间在高温环境下的动态温度测量，本文设计了一种以磁致伸缩棒作传感器的超声导波测温装置。首先将该棒直接与高温炉温场接触，再通过声学速度与温度的关系，最终换算得到实时的温度参数，从而达到测量温度的目的。

1　原理

1.1材料磁致伸缩原理

磁致伸缩式传感器是基于材料的正磁致伸缩效应及其逆效应工作的。当磁致伸缩材料置于磁场中时，它的几何尺寸会发生变化，这种现象称为正磁致伸缩效应，英国物理学家焦耳（Joule）于1842年发现这个现象，故又称为焦耳效应［6-7］。当长度为L的铁磁材料，在磁化方向上的伸长量为ΔL时，该铁磁材料的磁致伸缩系数为λ=ΔL/L，如图1。此后有关铁及其合金的磁弹性问题得到了进一步讨论与研究，其中包括磁致伸缩材料受外力引起磁感应强度变化的逆磁致伸缩效应，即维拉利（Villari）效应。铁磁材料在螺旋变化的磁场里，发生扭曲变形的维德曼（Wiedemann）效应等［8］。基于材料的正磁致伸缩效应，可以获得磁致伸缩材料在瞬间变化的磁场中，激励质点振动规律的超声波场。同理，超声波场也可以使材料的磁感应强度发生变化，即逆磁致伸缩效应。经过几十年的发展磁致伸缩式超声导波传感器已经取得了较成熟的理论与成果［6］，如磁致伸缩导波检测设备在石油管道检测领域的应用等。

1.2超声波测温原理

超声测温的原理，是基于波导介质的弹性参数与超声波速度有固定的函数关系，因而测得超声波速度就可以获得介质温度［9-11］。例如，把一根长度一定的细金属杆插入被测介质中，让声波沿此杆传播，由于固体中声速随温度升高而下降，利用声速与温度的这一相关性，只要测得声速就可得到波导（即被测介质）的温度。对于匀质且截面均匀的波导，声波在其中的传播速度

式中：E为材料的杨氏弹性模量，kg/（s2·m）；ρ为材料的密度，kg/m3。

2　超声波测温系统的设计

2.1超声测温系统结构设计

超声导波测温系统主要包括以下几个部分：脉冲发生器1、磁致伸缩换能器2、发射线圈3、接收线圈4、金属引入线5、测温敏感结构6、放大器7、显示器8、耐高温保护套管9。其基本结构如图2所示。

图2　超声测温系统基本结构图

用于声波传播的传感器材料可以由多种金属制成，结构上可以制成杆状、条状、丝状。超声波在传播中遇到声阻抗变化的地方会产生部分反射（不同介质或介质界面尺寸发生变化）。据此可以在传感材料中设置若干介质界面尺寸发生变化的节点。通过测量超声脉冲在传感材料中节点反射波的传播时间差来测定声速，进而通过声速与温度的关系得到温度。这种方法称为区截测速。为了提高精度，一般测量多个节点，得到传播声速的平均值。超声测温技术的研究和应用为一些极端条件下的温度测量提供了一种有效途径。

2.2传感器、线圈参数设计

传感器选用直径为3 mm、型号为1J22的磁致伸缩棒。1J22是高饱和磁感应强度铁钴钒合金，在现有软磁材料中该合金的饱和磁感应强度最高（2.4 T），居里点也最高（980℃），饱和磁致伸缩系数最大（60～100*10-6）［12］。合理的缠绕线圈是实现机电信号的先决条件，因而传感器中线圈的设计对激发超声的幅值、频率都有重大影响。

在一般情况下，线圈参数的选取情况主要考虑线圈的长度、电阻和电感3个方面的因素：

2.2.1线圈长度

线圈长度应取激发超声波1/2波长的整数倍［13］，经过对本文设计的传感器分析计算得知，线圈长度为4 mm，线圈可多层缠绕。

2.2.2线圈电阻

由细导线等效电阻公式为：

式中：ρ为导线材料密度，l为导线长度，S为导线横截面积。

2.2.3线圈电感

在线圈等效电路模型中，线圈的静态电感与电阻是线圈的重要参数，多层圆柱形线圈电感为［14-15］：

式中：h为螺线型线圈的绕线厚度；D为螺线型线圈的平均直径；n为螺线型线圈绕线匝数；l为螺线型线圈的绕线长度；C为的函数；K为的函数；

因此，通过上式，设计及绕制激励线圈，线圈参数如表1所示。

表1　激励线圈参数

3　超声测温实验

实验装置由信号激发装置、接收装置、一根直径为3 mm长度为604 mm的磁致伸缩棒、磁极、线圈、高温炉和示波器。其中激发装置是基于DDS技术设计的窄带脉冲激励信号，如图3。接收装置为1 000倍信号放大电路。

图3　DDS脉冲信号图

3.1常温下测试稳定性

由于超声导波温度测量系统的测量完全取决于超声导波传播速度的测量，即超声导波的时间差Δt的测量。测得的超声导波时间差为超声起始脉冲与磁致伸缩棒终端的回波时间差。

使用FPGA连续工作，输出超声导波波形，测量超声导波传播时间Δt。该组试验测量的目的是在室温下（相对稳定）的环境中，连续重复测量超声导波的传播时间Δt，观察其超声导波传播时间的稳定性以及重复性，从而判断超声导波温度系统对传播时间测量的效果。

如表2所示，试验数据是在室内温度保持12℃的条件下连续测量12个小时，每1个小时测得的1个超声导波传播时间差Δt。

表2　传播时间表

从表2中可以看出，超声导波传播时间差的数据比较稳定，在工作的12个小时里，传播时间差大部分都在268.33 μs左右，说明该装置的重复性、稳定性相对比较好。以上时间测量都是通过示波器来测量，在超声导波测温可行的条件下，应该在研究超声导波传播特性的前提下，采用互相关算法设计超声导波测时仪来测量超声导波传播时间，进而可以提高系统的精确度。

3.2高温下测温实验

实验装置图如图4，首先将超声发射装置及接收装置连接完毕。线圈与磁极安装在磁致伸缩棒的一端的合适位置。将另一端升入恒温炉的加热室内加以固定。实验中，调节高温炉，每隔50℃测量超声回波时间，测得的超声波时间为超声起始脉冲与磁致伸缩棒在恒温炉内顶端的回波时间差。另外在磁致伸缩棒上的加工一个深度为1 mm，轴向长度为1 mm的凹槽，来验证截面突变处，是否会产生相应的回波信号。

图4　实验装置

4　实验结果及分析

如图5，可以较为明显地看到超声波在凹槽处以及终端的回波信号。在常温（12℃）时起始超声导波与端面回波之间的时间间隔为268.36 μs，当高温炉温度为500℃时起始超声导波与端面回波之间的时间间隔为293.24 μs。

图5　超声波测温波形图

将传感器在常温（12℃）～600℃测得的延迟时间，输入origin软件作出图表，如图5所示，从图可知在常温（12℃）～600℃内，高温炉每升高100℃，起始超声导波与端面回波之间的时间间隔增加大约5μs，且该时间间隔与温度之间具有很好的线性关系。

图6　温度与回波时间差关系图

5　结论

为解决系统在长时间超高温环境下的动态温度测量问题，开展了一种以磁致伸缩棒作传感器的超声导波测温研究。这种传感器的结构简单、灵敏度高、适合复杂恶劣的测温环境，可广泛应用于科学研究、工业测量领域。并通过实验验证了该系统在常温（12℃）～600℃范围内工作时具有很好的可靠性。由于磁致伸缩棒的居里点（980℃）限制，原则上实验中恒温炉加热温度不应高于980℃，但是当恒温炉加热到700℃时，以磁致伸缩棒作传感器的实验装置，信号信噪比极差，不适合作为测量高温的传感器。接下来为探索长时间2 000℃以上的原位测量技术，将会在磁致伸缩棒前焊接钨、钍等耐高温金属。使耐高温金属传感器工作在高温端，而激发、接收装置在低温端工作，这样就可以解决磁致伸缩材料的居里点限制测温上限的问题。

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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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国家安全重点基础研究计划基金资助项目（“973”计划）（6132★★★★★★）

魏艳龙（1989-），男，山西寿阳人，在读硕士研究生。研究方向：超高温环境下瞬态温度参数测试。