基于钼铼合金的超声导波温度传感器设计

肖旭东， 杨 录， 刘康驰， 薛程颢， 李景林

(中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051)

0 引 言

高温测量在航天、材料、能源、冶金等领域中占有极重要地位[1]。现阶段，工业中的测温方式主要包括热电偶和辐射温度计。热电偶具有灵敏度与精确度高的优点，但应用场景不够灵活，难以实现连续的在线检测和控制。辐射温度计则在测量范围、数据处理和数字显示方面都有很大改进，但实现精确测量容易受烟气、雾气等的影响[2]。相较上述测温手段，超声测温的环境适应性强，应用场景灵活，可以满足在线控制与测温环境多样性的需要， 特别是在恶劣的高温环境中。

超声波测温技术是利用超声波在介质中的波速与介质温度之间的关系来实现测温。国外学者对于超声波测温技术的研究已经很深入。早在120年前，Mayer就测量出了1 000 K以上高温气体中的声速[1～3]。20世纪90年代，Wilkins S C采用单晶钨代替加针多晶钨作检测元件，可以测量高达3 000 ℃的温度[3]；Varela D W利用微型计算机作为测温系统的控制单元，可以测量加热炉中从室温到3 000 ℃的烟气温度，标志着超声测温技术已发展到工业和实验室中[4]。

国内对超声波测温技术的具体应用研究较少，近几年的发展速度也较慢。其中，华中科技大学的何其伟、於正前等人设计了一种炉膛速度场声学检测装置，实现了炉膛温度场的检测与重建[5]。 华北电力大学的沈国清、安连锁等人介绍了声学方法测量烟气温度的基本原理，使用费马原理对二维温度分布图及其重建进行了探讨[6]。沈阳工业大学的颜华等人提出了一种基于互相关和插值运算的声波飞行时间测量法，在弱噪声与中、强噪声情况下分别做三次样条插值和线性插值，该方法对提高声学法温度场检测精度具有实际意义[7];中北大学的王高、王凯等人设计的铱铑合金超声测温传感器可测温度达到了1 600 ℃[8]。在我国，对于超声测温的研究还处在对国外研究现状的分析与报道阶段，本世纪初才开始展开超声波测温技术实际应用的研究，目前国内使用的超声波温度计还都依靠从国外进口[9]，因此对超声测温应用的研究很有必要。

1 超声测温原理

超声导波[10,11]在材料中的传播速度取决于材料的温度，研究最多并且也是最成熟的超声测温法是脉冲回波法。超声波在材料中的传播速度与材料的温度具有一定的函数关系，如式(1)所示

(1)

式中v(T)为超声波在材料中传播的速度，E(T) 为材料的弹性模量，ρ(T) 为材料的密度。显然，超声波传播速度v与温度T的平方根成正比。

超声波在固体介质中传播时会发生反射、折射和波形转换[12]，因此，在介质刻一个凹槽构造出节点和端面两个声反射点就可以产生节点回波和端面回波，如图1所示，产生一个超声波激发脉冲，超声信号传播到传感器，一部分能量在凹槽处发生反射产生节点回波，其余的继续传播到端面产生端面回波。

图1 超声测温原理

因此，由式(2)可以计算出当前温度下的超声导波声速。多次实验之后可以得到声速v与温度T的拟合曲线，将测量到的声速v代入此经验曲线可以测量出温度值

(2)

式中v(T)为超声波在材料中传播的速度，s为凹槽到端面的距离，t(T)为节点回波与端面回波间的时差。

2 超声导波温度传感器设计

2.1 传感器材料的选择

超声导波传感器必须考虑如下三个因素：1)传感器材料的导声性能好；2)传感器材料的熔点高；3)在高温环境下材料的物理特性稳定。

难熔金属钼具有优良的导热、导电、耐腐蚀性能，并且具有低的热膨胀系数、较高的硬度、很好的高温强度，因而钼在电子工业、宇航工业、能源工业等领域有很广阔的用途，但是钼的高温抗氧化能力较差，在空气中加热到约300 ℃就开始氧化[13]。难熔金属铼同样具有高熔点以及稳定的物理特性，被广泛应用到航空航天等领域，铼作为合金添加元素能有效改善合金的性能，因此在钼中添加铼可以增强钼的高温抗氧化能力，并且大幅度地降低了钼合金的塑脆转变温度，从而使得钼铼合金具有很好的常温性能，同时又可以提高钼合金的再结晶温度，提高钼合金的高温性能。Mo—47.5Re的熔点为2 450 ℃，并且它的线膨胀系数较小为6×10-6/℃，具备良好的传声特性，对温度很敏感。综上选用钼铼合金做传感器材料。在进行标定实验前，利用抽气泵抽走空气制造真空环境，并用刚玉套管和高温塑封胶进行密封，使钼铼传感器隔离氧气抗氧化。

2.2 传感器敏感元设计

1)直径

超声波经过波导丝边界的反射、折射和模态转换，形成能够在波导结构中传播的导波，导波的传播不仅会受到结构尺寸的影响，还会受到频率的影响，导波相速度随频率变化而变化的现象称为频散[14]。超声导波在杆状结构中传输时导波具有频散特性，群速度与相速度随着频率与杆状结构直径之积而变化。其中直径越大，频散越严重，为了保证超声波频散较小，直径应尽可能较小[15]。因此传感器选用直径为1 mm的钼铼合金。

2)区截长度

根据超声导波测温原理，需要确保能够从采集回的超声回波信号解析出端节点波的时差信息，为了避免节点波与端点波混叠影响到信号解析，节点到端点的距离s应该满足如下计算公式

2s>v(T)×N×1/f

(3)

式中v(T)为超声波在材料中传播的速度，N为超声导波在端节点处的振荡周期，f为超声导波的频率。因为固体介质中的v(T)随着温度的升高而降低，所以，v(T)在常温下对应声速最大为5 400 m/s，N=10，f=1 MHz，由式(3)可得s>27 mm。因此，传感器敏感元长度选为30 mm。

3 传感器标定实验与结果分析

3.1 标定实验

搭建超声测温平台，超声回波测温系统包括超声脉冲发射接收电路、现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)信号采集电路、高温检定炉、超声换能器、高温传感器以及LabVIEW软件系统部分如图2所示。

图2 实验平台

当LabVIEW上位机向FPGA发送采集命令后，数据采集电路发出一定数量的脉冲作用到超声发射电路的高压模块，激发出一定强度的电信号作用到超声换能器上产生超声波，超声波经过波导杆到达高温传感器产生超声回波，超声回波作用到超声换能器上产生电信号，经由超声接收电路放大滤波处理，数据采集电路将回波信号采回并由LabVIEW上位机处理，解耦出当前温度下对应的时差信息。

将超声温度传感器与温控仪的控温热电偶一同放置于高温检定炉的恒温区中心的同一位置，高温检定炉每升温100 ℃，等待温控仪温度稳定以及高温传感器热平衡之后，采集一次超声回波数据以及当前温控仪温度值，高温检定炉加热范围为常温到1 800 ℃，将超声温度传感器加热至1 800 ℃再降温至常温，如此进行4次实验。第一次实验作为传感器退火处理，对后三次升降温实验采回的回波信号进行分析处理。回波信号中包含节点波、端点波以及端点波在节点处反射回端点产生的二次反射回波，如图3所示。

图3 超声回波信号

利用节点回波与端点回波可以得到当前标定温度下二者之间的传输时差t(T)，将3次升降温得到的传输时差t(T)与标定温度T进行拟合，如图4所示。

图4 三组时差—温度曲线

由拟合曲线可以观察到传输时差t(T)随着温度T的升高而增加，且实验数据重复性良好。将20 ℃到1 800 ℃的曲线进行拟合，得到的三次函数曲线如图5所示。

图5 时差—温度拟合曲线

时差—温度拟合函数如下

T=10.086 4×τ3-529.566 3×τ2+9 244.880 2×τ-

51 418.116 3

(4)

式中T为当前温度值，τ为当前温度下节点回波与端面回波间的时差。将3次升降温得到的传输时差t(T)代入式(4)，得到此拟合函数下的3组温度数据，并对温度结果取平均，如表1所示。

表1 拟合所得温度 ℃

3.2 结果分析

根据传感器主要静态性能指标计算方法[16]，对设计的超声导波高温传感器性能进行分析。

1)满量程输出：满量程输出计算如式(5)所示

YFS=Ymax-Ymin

(5)

式中Ymax为最大输出值，Ymin为最小输出值。回波信号的传输时差在20～1 800 ℃范围内随着温度的升高而增大，取最小输出值20 ℃，最大输出值1 800 ℃，所以传感器的满量程输出为1 780 ℃。

2)样本标准偏差：第i个校准点处的样本偏差si计算如式(6)所示

(6)

3)重复性：在该校准点处的一组测量值的样本标准偏差在一定置信度下的极限值，并以其满量程输出的百分比来表示，而传感器的重复性则取各校准点处重复性最大者。重复性的计算公式如下

(7)

式中c为包含因子；Smax为最大的样本标准差；YFS为满量程输出。本标定实验循环次数为3，对应95置信度包含因子为c=4.303，经计算，在200 ℃时重复性误差达到4.15 %，即200 ℃时重复性为95.85 %。

4)绝对线性度：表征传感器输出—输入校准曲线与理论特性直线之间的偏离程度。这一指标通常以相对误差表示。线性度的计算公式如式(8)所示

(8)

式中 ΔLmax为输入—输入校准曲线与拟合直线之间的最大偏差；YFS为满量程输出。经计算，最大偏差1 500 ℃为21.7，即绝对线性度为1.2 %。

4 结 论

选用Mo—47.5Re合金材料并根据设计的传感器参数研制了一种超声高温传感器。该温度传感器在20～1 800 ℃温度范围内进行温度测量时准确率较高，重复性较好。综上可以用于1 800 ℃以内高温环境的温度测量。