【《超声导波谐振测温原理及方案分析》4800字】

超声导波谐振测温原理及方案分析目录TOC\o"1-3"\h\u19285超声导波谐振测温原理及方案分析 178001.1超声测温方法 1233541.2超声导波传播特性 122081.3超声导波谐振测温原理 27301.4超声导波温度传感器的设计 4175651.4.1传感器材料的选择 417751.4.2传感器尺寸的设计 577671.4.3超声换能器 875431.5超声导波谐振测温仪设计方案 91.1超声测温方法超声测温技术按其原理的不同，可分为以下三类：脉冲穿透法、脉冲反射法、共振法[47]。不同的测温方法对超声波的收发形式以及探头等要素具有不同的要求，下面对三种方法进行介绍。（1）脉冲穿透法：在待测温场的两边各放置一个超声探头，其中，一个超声探头作为发射探头，另一个超声探头作为接收探头。通过测量超声波从发射探头到接收探头的时间，即可得到超声波在介质中的传播速度，依据介质声速与温度的对应关系，即可测得环境温度值[48]。（2）脉冲反射法：当介质中存在缺陷（阻抗不连续）时，超声波在传播中遇到缺陷会产生反射，并形成回波。采用收发一体的超声探头接收缺陷回波和端面回波，通过测量两回波之间的时延差，可得到超声波在介质中的传播速度，依据其与温度的对应关系完成温度测量[49]。（3）共振法：将频率可连续变化的超声波加载到特定的谐振敏感元介质中，当激励频率与敏感元固有频率相一致时，敏感元将产生共振，通过敏感元固有频率与温度的对应关系完成测温[50]。1.2超声导波传播特性介质中分子机械振动时，所受应力、应变的传播称为应力波。应力波在弹性介质中传播时，其应力与应变之间为线性关系，此时，应力波称之为弹性波，弹性介质也称之为波导。弹性波不仅承载着激励源的信息，而且包含着波导本身的特性[51]。弹性波在波导中传播时，如果不考虑波导边界对其传播的影响（即弹性波在无限大介质中传播，不发生反射和折射），此时称为体波。体波按传播方向和质点振动方向间的关系，可分为横波和纵波。实际中，当波导边界相对于弹性波波长较小时，弹性波在波导边界处将产生多次的反射与折射，会使横波和纵波之间发生不断的波形转换，二者相互耦合形成超声导波。在各向同性、弹性均匀的固体介质中，由于波导边界的限制，超声导波在波导中将沿平行于边界的Z轴方向前进，从而实现导波的传播，其传播过程如图2-1所示。超声导波在细长的杆中可以传播很远的距离，经实测，室温下频率200kHz的超声导波在直径3mm、长度10m的铁铬合金杆中可以往返2次，这为长距离超声信号传递提供了物理媒介。图2-1超声导波的传播Fig.2-1Propagationofultrasonicguidedwaves1.3超声导波谐振测温原理超声导波在传播时存在三种模态：纵向模态，扭转模态以及弯曲模态，其中纵向模态导波速度最快[52,53]，其声速如式（2-1）所示： （2-1）式中：E为材料弹性模量，ρ为材料密度。同一材料在不同温度下其微观组织结构不同，宏观上反映为材料的弹性模量和密度随温度不断变化[54]。结合公式（2-1）可得，超声导波在材料中传播速度与材料所处的环境温度为单调函数，这为超声测温提供了理论基础。超声导波谐振装置如图2-2所示，其主体为一根细长的金属杆，用于传输超声导波；冷端（远离高温场的一端）和磁致伸缩超声换能器耦合，用于电磁与声之间的能量传递；在热端（置于高温场中的一端）有精密加工的敏感元，用于获取高温区温度变化；敏感元为一个超声频率谐振器；在谐振器和声波导之间采用锥形聚能器过渡，用于声耦合匹配。敏感元的谐振频率与超声纵向导波速度具有单值函数关系，见式（2-2），而超声纵向导波传播速度又与介质温度具有单调的函数关系，因此，通过测量不同温度下敏感元的谐振频率，即可获得被测环境温度。故也将超声谐振式测温传感器称为频域传感器，这为后续电路处理带来了方便，也为高精度测温奠定了基础。 （2-2）式中：m为谐振器模态阶数；L为谐振器的长度；为材料中超声纵向导波声速。超声导波谐振器可采用两种模式激励：连续波激励和脉冲激励。对于连续波激励，要求驱动器和接收器各有两个独立通道连接到谐振器上，一个引入激发能量，另一个接收回波能量。该模式下，谐振器灵敏度较差，因此本文采用脉冲激励模式。实验中采用磁致伸缩超声换能器一个通道就可以实现超声脉冲信号的发射和接收。图2-2超声导波谐振装置示意图Fig.2-2Thediagramofultrasonicguidedwaveresonator当线圈中通以高频电流时，在磁场中的波导杆受磁致伸缩效应影响会产生相同频率的超声波[55]，其沿着波导杆向前传播到达谐振器。当激发频率和谐振器固有频率相同且激发波数达到一定数量时便会产生图2-2中所示的谐振回波，其谐振过程可概括为激发波和反射波相互作用出现交叉过零区，之后激发波结束，储存在谐振器中的能量按其固有频率向波导辐射。能量释放过程中有式（2-3）的函数关系： （2-3）式中：为回波衰减的起始幅度；为n次振荡后的幅度；Q为谐振器的品质因子(和材料内耗及声耦合相关)。因此，通过设计自动跟踪电路使得测温仪的驱动频率始终和敏感元的谐振频率相一致，将环境温度的测量转换为对敏感元谐振频率的测量，为高速、高精度测温提供了基础保障。1.4超声导波温度传感器的设计超声导波温度传感器主要由波导杆、敏感元、超声换能器等组成。由于谐振回波的能量衰减受敏感元材料特性的影响，谐振频率受敏感元尺寸的影响，因此，超声导波谐振测温对传感器材料和尺寸均有一定要求。满足条件方可产生规整的谐振回波，在示波器上被观测到。1.4.1传感器材料的选择在超声导波谐振测温技术的研究过程中，传感器材料的选择至关重要，其通常基于以下几个条件：1）对于特定的应用，其熔点足够高[56]。2）材料弹性常数随温度单调变化，无相变或温度滞后效应。3）在高温环境下其材料内耗低。4）谐振腔槽的可加工性。5）高抗热震性(适用于某些用途)。6）与测量环境的兼容性(如氧化、还原、碳化、腐蚀和核辐射)。7）成本和可用性[57]。其中1、2、3项对于任何温度传感器材料都是必不可少的条件，而成本也是一个重要的参考条件。除了由环境和与声学要求相关的物理特性外，对传感器材料的选择没有很严格的限制。鉴于实验条件和成本考虑，本文采用铁铬合金（0Cr25Al5）材料制备谐振器来进行原理性验证。所选材料具有如下优点，其熔点为1450℃，同时具有优良的抗氧化性和耐腐蚀性；其硬度较低，便于谐振器的切削加工；其价格便宜，有利于降低实验成本。1.4.2传感器尺寸的设计传感器的主要参数包括波导杆长度、传感器直径以及敏感元尺寸，以下将分别进行详细介绍。（1）波导杆长度声波在实际的传播过程中，会存在一定的能量损耗，其声压、声强的衰减满足公式（2-4）和式（2-5）： （2-4）式中：为声源处的声压，x为声波与声源间的距离，α为衰减系数。 （2-5）式中：为声源处的声强，x为声波与声源间的距离，α为衰减系数。由式（2-5）可知，为避免超声波的声压、声强衰减过大，波导杆长度应尽可能较短；同时为避免波导杆冷端超声换能器因距离高温区较近而影响其正常工作，并保证超声波在波导杆中传播形成超声导波，波导杆长度也不应太短。综合考量，本论文中波导杆长度选取为1m。（2）波导杆直径如图2-2中所示，波导杆和敏感元为一体式设计，超声波在波导杆中传播时形成超声导波，经圆锥聚能器后到达敏感元，使之产生谐振。为保证温度传感器的轻型化，波导杆直径应尽可能较小从而减轻其重量，同时为避免因波导杆直径太小而造成敏感元加工难度过大，波导杆的直径也不应选取太小。综合考量，本文选用的波导杆直径定为3mm。（3）敏感元尺寸选择谐振器结构如图2-3所示，为一段圆锥形状的变幅杆结构，可将超声能量聚焦到小圆锥面，末端圆柱固有频率与超声换能器激振频率相等时，其处于谐振状态。当变幅杆的直径相比波长较小时，根据变幅杆纵向振动一维波动理论，其运动方程[58]如式（2-6）： （2-6）式中：为变幅杆的横截面积函数；为质点纵振动位移函数；k为圆波数，（ω为圆周率；由式（2-1）确定）。在圆锥段质点纵振动的位移函数可表示为式（2-7）： （2-7）式中：α为锥度系数；A、B是公式（2-6）通解的系数。注1）dN为锥轴小端直径，dR为谐振器直径（其与声波导杆直径相同）图2-3谐振器结构尺寸图Fig.2-3ThedimensionsdrawingofResonator实验中选取变幅杆L1长度为λ/4，谐振器L2长度为λ/2（称为半波长谐振器）。纵波在铁铬合金中声速cL室温下实测为5361.93m/s，依据公式（2-2），m取1（即采用谐振器的一阶模态），设定谐振器谐振频率f常温下为156kHz；可计算得出波长λ为34.37mm，谐振长度L2为17.18mm。对于谐振式高温传感器来说，其谐振器的Q因子是一个很重要的参数，其定义为： （2-8）式中：w表示回波存储能量；表示回波在每周期中损失的能量。根据能量损耗类型的不同，Q因子可分为以下两类：：在m阶模态下，谐振器能量损失仅由耦合造成时的耦合Q因子。QM：在m阶模态下，谐振器能量损失仅由材料造成时的材料Q因子。：谐振器在其m阶模态下总和Q因子。本文采用半波长谐振器的一阶振动，其三个Q因子具有联系，如式（2-9）所示： （2-9）通过设计的值为50，使在较宽的温度范围内几乎没有变化。半波长谐振器满足公式（2-10）： （2-10）式中：r代表圆锥体和谐振器的阻抗比，由式（2-11）来确定。 （2-11）式中：，分别为圆锥体和谐振器材料的密度；，分别为纵波在圆锥体和谐振器中的传播速度；，分别是圆锥体锥头和谐振器的横截面积，分别满足公式（2-12）和公式（2-13）。 （2-12） （2-13）谐振器和传导杆采用一体式设计，因此，是相同的，纵波在传感器中的传播速度，也是相同的。谐振器直径dR为3mm，当的值为50，m=1（谐振器一阶模态），得到聚能器小端直径dN的值为1.26mm。为防止加工过程中在台阶处产生应力集中，本次试验采用手工精磨工艺。综上所述，本文所设计传感器尺寸如表2-1所示，实物图如图2-4所示。表2-1传感器结构尺寸参数Tab.2-1Dimensionparametersofsensor传感器结构长度直径圆锥面长度谐振器长度圆锥小端直径尺寸参数/mm100038.5917.181.26图2-4传感器实物图Fig.2-4Thephotoofsensor1.4.3超声换能器换能器是一种实现不同形式能量相互转换的器件，依据物理效应的不同，可分为两大类：利用磁力效应的磁场性换能器和利用电力效应的电场性换能器。本文选用基于磁致伸缩效应的超声换能器激发超声波，作为磁场性换能器的代表，其具有体积小、功率大、性能稳定的特点，应用十分广泛。磁致伸缩超声换能器结构如图2-5所示，铁磁性试件在永磁体的偏置磁场下被磁化，试件外缠绕有电流线圈，当通以高频交变电流时，试件内部在电磁感应下将产生同频率的电涡流，两者均感应出动态磁场并沿着试件轴向的方向相生叠加。试件在磁致伸缩效应下随着动态磁场的变化发生同频率的形变，产生磁致伸缩力，内部晶粒在磁致伸缩力的作用下发生振动（形变传到相邻部分时，原始部位的变形又返回初始状态，如此反复），试件内最终激发出超声波并沿着试件轴向方向传播[59]。纵波的产生与外界偏置磁场的布置和线圈中施加的电流方向有关，当晶粒振动的方向与波的传播方向平行时所产生的声波被称为纵波。纵波的产生只需介质发生拉伸或挤压形变即可，因此，纵波在固、液、气介质中均可以得到有效的传播。图2-5磁致伸缩超声换能器结构示意图Fig.2-5Structurediagramofmagnetostrictiveultrasonictransducer本论文中采用超声纵向导波对传感器进行激励，其实物结构如图2-6所示。在铁磁性波导杆上绕制长度为四分之一波长的多层线圈，同时其两端分别配置环形永磁体以提供偏置磁场。图2-6超声换能器实物图Fig.2-6Thephotoofultrasonictransducer1.5超声导波谐振测温仪设计方案本论文中超声导波谐振测温仪的整体设计方案如图2-7所示。以单片机为控制核心搭建测温硬件平台，通过超声发射、接收、频率自跟踪等电路，实现对超声导波的发射、接收、频率的自跟踪；以串口屏为核心的人机交互程序，可实现系统参数设置、频率测量和温度显示等功能。图2-7超声导波谐振测温仪设计方案Fig.2-7Thedesignofultrasonicguidedwaver