基于声表面波的电站锅炉受热面温度监测传感器研究

王鑫雨，侯哲帆,李鸿源，徐 鸿

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0 引言

随着火电机组蒸汽参数的提高，锅炉高温受热面材料逼近材料许用极限，因此避免受热面超温运行对保障机组安全性具有重要意义。目前受限于恶劣环境中温度传感技术，对火电机组锅炉受热面温度监测主要以间接测量为主，直接测量方案较少。基于声表面波的温度测量方法已应用于常温环境，该方法具有无线无源的特点，也具备应用于高温环境中的潜力。因此，本文以电站锅炉高温受热面温度监测为背景，对高温环境下声表面波温度传感器进行研究，为电站锅炉受热面壁温在线直接测量提供理论指导。

本文建立声表面波温度传感器有限元模型，模拟得到不同电极材料及电极厚度下的传感器性能参数，并进行对比分析；在模拟研究基础上，制备声表面波高温传感器，并对传感器高温适用性进行实验研究。

1 基于声表面波的无线测温原理

1.1 测温原理

声表面波温度传感器的测温原理是压电基底材料在射频电激励信号的作用下，由于逆压电效应将会在压电材料表面激励出声表面波，当外界信号频率f等于传感器固有频率f0时，声信号在谐振器中同相叠加，形成谐振驻波，传感器发生谐振。传感器达到谐振时的固有频率f0与温度有关，通过测量谐振频率，从而达到温度传感的目的。

声表面波温度传感器的核心部件为温度传感单元，电-声(振动)-电转换主要在该传感单元上实现。温度传感单元由压电基底材料和其上覆盖的电极栅栏组成，因此温度传感单元中的压电材料和电极材料是声表面波温度传感器高温应用的重要影响因素。文中将对压电基底材料和电极材料进行分析比较和选择。

1.2 传感器高温压电基底材料选择

在常温环境中，声表面波(SAW)传感器一般采用PZT压电材料作为压电基底材料。但是PZT压电材料无法在高温环境中应用，目前可耐受高温的压电材料性能参数如表1所示[1-7]。

表1 压电基底材料性能对比

从表1中可以看出，石英、铌酸锂和钽酸锂的失效温度相对较低，约为400～600 ℃。而硅酸镓镧的高温稳定性更好，从室温到熔点1 470 ℃均可保持压电性。因此，本文中选择了硅酸镓镧作为SAW高温传感器的压电基底材料。

2 声表面波高温传感器电极影响模拟研究

2.1 高温传感器有限元模型

2.1.1 几何模型

图1(a)是声表面波温度传感器的简化结构模型，由压电基底材料和表面电极组成。由于声表面波波长远小于传感器宽度，因此可将传感器简化为二维模型。为进一步减小计算量，抽取单对叉指结构作为计算单元，通过在单对叉指两端设置周期性边界条件，可以准确快速地对声表面波高温温度传感器声波的传播特性进行仿真。SAW传感器二维叉指模型可以在保证模型可靠性的同时，大幅降低计算量，提高仿真效率。二维单对叉指结构几何参数见表2。

(a)二维叉指简化示意图

表2 叉指换能器结构参数

2.1.2 边界条件与网格设置

压电基底材料的厚度远大于电极层厚度。对于弹性力学边界条件：设定压电介质上表面为自由边界条件；压电基底材料的底边设定为固定约束。对于静电边界设置：将电极所有外边，一侧终端边界设置为接地，另一侧终端边界设置为表面电荷积累为零的“悬浮电位”，左右两边界设置为周期性条件，叉指结构中2个周期性的垂直边界两端电势和位移相同。

在计算速度允许的情况下，为了保证模型的精确度，根据模型的形状选择自由四边形网格，网格划分如图1(b)所示。使用物理场控制网格从压电基底材料底部到顶端电极侧逐渐密集。四边形单元数为1 126，最小单元质量为0.426 8，网格质量较好。

2.2 声表面波位移分布云图

利用特征频率分析可以得到多种不同的模态振型图，其中得到声表面波器件的瑞利波振型如图2所示。

(a)对称模态位移分布

如图2(a)，频率fM-=350.51 MHz时，单对叉指对两侧位移量最大，声表面波传播损耗最小。最大位移点如图2(a)所示，该振动位移可以作为衡量激发声表面波振动强度的重要标准，当使用不同频率的激励信号进行扫频时，质点在频率达到谐振频率时，质点位移最大。

图2(b)是反对称模态，频率fM+=350.77 MHz，此时振动能量集中在两电极之间，单对叉指两侧位移量最小，声表面波传播损耗最大。同时由图2(b)可以看出声表面波能量集中在压电基底材料6～8 μm深度范围内，约等于声表面波一个波长。

2.3 电极材料种类及厚度影响

为了获得不同电极材料和厚度对声表面波高温传感器的影响规律，选择Au，Cu，Pt 3种不同材料作为电极材料，对具有不同电极厚度的传感器进行仿真模拟，得到如图3所示电极厚度和波长的比值和对称特征频率及最大位移间的关系。为便于比较，使用电极厚度与设计波长λ的比值作为电极厚度表征参数。

图3 电极厚度和波长的比值和对称特征频率及最大位移间的关系

如图3三条虚线曲线所示，电极的材料和厚度对SAW传感器的特征频率均有一定的影响。3种不同电极薄膜材料的SAW传感器的特征频率随电极厚度增加均呈现下降的趋势，Cu电极器件的特征频率随电极厚度下降的速度低于Au电极与Pt电极，Au电极和Pt电极器件的对称特征频率特性基本相似。其中在相同电极厚度的情况下，Au电极和Pt电极器件的特征频率整体低于Cu电极器件，其中Pt电极器件的特征频率最低。对比3种电极材料的物理性质，3种电极材料都属于电的良导体，所以材料的质量密度是影响SAW传感器对称特征频率的主要因素，即表面质量加载效应。因此在设计SAW传感器时，表面质量加载效应是影响特征频率的重要因素。

图3三条实线所绘曲线表示了在线宽、压电基底材料等条件不变的情况下，SAW传感器对称模式下最大表面位移与电极材料以及厚度的关系。由图中可以看出，3种不同材料谐振时质点的位移随电极厚度的增加先增加后降低，其中Pt和Au在频率上的变化趋势类似。在电极厚度与设计波长的比值大于0.04时，三种电极材料的最大位移都处于低值，表明声表面波的传播损耗迅速增加，之后最大质点位移的变化趋于平缓。高温声表面波温度传感器的电极厚度应尽可能降低，但厚度太低将会使电极的阻抗增加，使信号强度降低。因此SAW传感器在高温应用时应精确计算电极厚度。

3 声表面波温度传感器的高温实验研究

3.1 声表面波高温传感器的制备

为了对声表面波温度传感器的高温特性进行研究，基于硅酸镓镧压电晶片设计了一种谐振频率约为350 MHz的高温声表面波温度传感器。传感器由压电基体和基体表面电极组成，结构图如图4所示，实物图如图5所示。

(a)传感器芯片结构图

(a)传感器芯片实物图

压电基体材料选择0.5 mm厚度的硅酸镓镧单晶；基体表面电极由三部分组成，分别是位于中间的声表面波激发接收电极，该电极采用均匀叉指结构，以及位于两侧的用于反射调制声表面波的反射栅电极结构。综合可加工性及成本考虑，选择Au作为电极材料，为了保证Au电极与硅酸镓镧间的附着力，需要在Au电极与压电基底材料之间镀1层10 nm的Ti作为粘结层。传感器详细结构参数见表3。

表3 传感器芯片结构参数

传感器电极加工使用的剥离工艺(lift-off)，制作完成的传感器芯片如图5所示。

3.2 实验平台及方法

测试平台如图6所示。将传感器芯片叉指换能器两端与矢量网络分析仪(型号为E5061A)的port1端口相连，矢量网络分析仪产生传感器谐振频率周围的扫频信号，对声表面波高温温度传感器进行扫频询问，当激励频率与器件固有频率一致时，S11参数出现峰值，峰值对应的频率就是器件的谐振频率，根据频率与温度的关系就可以达到测温的目的。

(a)实验平台示意图

图6是高温测试平台实物图，高温测试的温度环境由钛合金微型控温加热台控制，通过无机高温胶将高温K型热电偶与传感器芯片固定在加热台同一位置，作为温度标定热电偶的测温仪选用K型测温仪。

3.3 实验结果分析

3.3.1 频率温度特性

经过对传感器的测试，本次试制的传感器完成了室温(25 ℃)到300 ℃的温度测量。图7为向传感器发射扫频信号之后不同频率对应的S11参数的值，为了方便比较，将传感器不同温度对应的S11放置在一起。提取各温度下散射系数S11的峰值对应的频率，得到谐振频率随温度的变化规律，如图8所示。

图7 不同温度下S11分布

图8 频率-温度曲线

如图7所示，随着温度的逐渐升高，S11参数峰值的绝对值逐渐减小且声表面波温度传感器的谐振频率逐渐降低，这说明声表面波的传播损耗逐渐增大，使温度信号的能量逐渐下降，传播损耗增加可能是由于电极退化导致。由图8可知，声表面波高温温度传感器在常温下的谐振频率为343.75 MHz，可以算出此时声表面波在硅酸镓镧介质中的传播速度为2 750 m/s，与模拟中的速度2 805 m/s接近，说明有限元仿真结果可靠。传感器谐振频率随温度呈现下降趋势，当温度为300 ℃时，谐振频率为342.13 MHz，从室温到300 ℃，温度灵敏度为5.89 kHz/℃，可见以硅酸镓镧为压电基底材料的温度传感器拥有良好的温度灵敏性。此外，随着温度的逐渐升高，温度灵敏度逐渐增加。

3.3.2 耐高温性能

通过测量不同温度下高温温度传感器的导纳参数，可对不同温度下器件的机电耦合系数K2进行计算，如图9数据点所示，得到拟合曲线如图9中虚线曲线所示，表明随着温度的逐渐增加，传感器的K2先增加后减少，在250 ℃左右传感器的K2开始下降，这说明镀金电极开始发生退化。

图9 机电耦合系数随温度的变化

图10为温度传感器3次升温的频率温度关系图。由图10可以看出，3次升温的频率结果中，同一温度下的谐振频率结果相近，说明制备的声表面波高温温度传感器在高温环境下拥有较好的测温稳定性。

图10 传感器升温实验频率温度关系

4 结束语

选择硅酸镓镧作为压电基底材料，高温稳定性能好，拥有良好的机电耦合、频率温度系数，相速度相对其他晶体较小。

进行有限元模拟，模拟结果显示，电极厚度相同时，Au电极和Pt电极器件的对称特征频率特性基本相似，整体比Cu低；3种不同电极材料，谐振时质点的位移随电极厚度的增加先增加后降低，其中Pt和Au在频率上的变化趋势类似。

进行高温实验验证，实验结果表明，在常温下声表面波在硅酸镓镧介质中的传播速度与模拟中的速度接近，说明有限元仿真模型计算结论相对可靠；传感器谐振频率随温度呈现下降趋势，温度灵敏度较好为5.89 kHz/℃；250 ℃时镀金电极开始退化，机电耦合系数降低；多次升温测试结果显示，同一温度下频率相近，证明高温时声表面波温度传感器的测温稳定性较好。