基于超声波的蓝宝石温度传感器

17卷第24期2017年8月 1671 —1815 (2017)024-0045-04

科学技术与工程

Science Technology and Engineering

Vd. 17 Na 24 Aug. 2017⑧ 2017 Sci. Tech. Engrg.

机械、仪表工业

基于超声波的蓝宝石温度传感器

原东方李仰军王高梁海坚田苗

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原〇3〇〇51)

摘要超声测温比传统的测温方法快速、精确、测温范围广，尤其可以在高温和恶劣的环境中进行测量。将蓝宝石作为超 声温度传感器的敏感元件，针对超声探头、敏感元件尺寸及区截进行研究，初步设计出蓝宝石超声温度传感器模型；并用钨铼 热电偶在高温炉中进行标定，得到蓝宝石超声温度传感器声速随温度的变化曲线；为超声温度传感器在高温环境中的测量奠 定了理论基础。

关键词超声测温 中图法分类号

蓝宝石 传感器 敏感元件

TH811.2;

文献标志码

A

目前工业上主要是用热电偶和辐射温度计进行 测温，但这两种测温方法都有一定的限制。热电偶 虽然灵敏度高，精确度也高，但无法在高温环境下持 续测温，难以实现在线检测和控制。而辐射式测温 虽然在测量范围、数据显示和数字显示方面都有显 著的提高;但由于受环境因素影响较大，比如湿度、烟气、雾气等等，实现精确测量十分困难，也无法测 量物质内的温度[1]。超声测温具有检测范围广，灵 敏度高，使用方便，检测速度快等一系列的优点。而 且超声波抗电磁干扰、响应速度快，可以测量超高温 环境下的温度[2’3]。

超声测温是现在新兴起的非接触式测温法。它 拥有许多优势，比如频率高，定向性好等，使它的测 温精度显著提高;并且受声波干扰和影响最小，从而 提高它测量的准确性。

超声测温目前在中国发展还不成熟，现在依然 处于初级阶段，国内对于这类研究相对比较少，而且 整体的测温水平并不高，因此对用超声波进行测温 的研究就显得十分必要。目前，超声技术在核辐射 和高温炉方面温度的测量已得到重视[4]，这是有很 大发展潜力的一项技术，相信在未来会产生巨大的 应用价值。

1

超声测温原理

超声测温技术是近40年才发展起来的，虽然

发展时间短，但牛顿早在300年前就在理论上推 导出了声速与温度的关系，而且在120年前，声学

专家Mayer也测量得到了 1 000 K以上高温气体 中的声速，并发现了声速与介质温度的平方根成 正比[5]，这为超声测温技术的研究提供了理论 依据。

在以往的研究中发现，超声波在气体、液体、固 体中传播时，其声速与介质温度有固定的函数关系。 在理想气体环境中，声速与热力学温度的平方根成 正比;在多数液体中;声速与温度的关系呈线性;在 一般固体中，当温度升高时，声速在其中的传播速度 减小，但二者亦有较好的单值函数关系。通过测量 声速就可以得到温度[6]。在进行超声测温的研究 中，测量声速的方法一般有两种，一种是声波直接在 被测介质中传播，测出声波速度即可知道被测介质 的温度;另一种是声波在放人被测介质中的另一种 材料中传播，这种材料必须与被测介质达到热平衡， 通过测量这种材料的温度也就知道了被测介质的温 度。本文选用第二种方式进行测温，让蓝宝石在被 测介质中达到热平衡，通过计算超声波在蓝宝石中 的传播速度来推算被测介质的温度。在固体中，纵 波声速的计算公式为

2016年11月23日收到 国家“973”计划资助

第一作者简介:原东方（1991 一），男，山西人，汉族，硕士研究生。研 究方向：超声测温技术。E-mail:836〇〇6573@ qq. com。引用格式:原东方，李仰军，王高，等.基于超声波的蓝宝石温度 传感器[J]•科学技术与工程，2017, 17(24) : 45^48

Yuan Dongfang, Li Yangjun, Wang Gao, et al. Sapphire temperature sensor based onultrasonic wave [ J ]. Science Technology and Engineer­ing, 2017, 17(24) ： 45^48

式（1)中，£为材料的弹性模量；p为材料的密度;：T 为应力。

由式（1)可知，声速与温度存在一定的函数关

蘭=IM

⑴

46

系，可以通过计算声速来确定温度。

科学技术与工程

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叙述了逆压电效应；^为压电常数；S为弹性柔顺常 数；^为介电常数;而Z表示应力恒定时的介电常

数；/表示场强恒定时的弹性柔顺系数;T7为应力。

在蓝宝石超声温度传感器的研究中，选择合适 频率的超声探头十分重要。频率越高，超声衰减越 严重，不容易获得较好的实验数据。频率太低时，虽 然衰减小，分辨率提高了，但反射信号的包络易拉宽 造成重叠，使反射信号受到干扰。通过实验比较，选 择晶振频率为500 kHz的超声探头。2. 2

敏感元件

在超声温度传感器中敏感元件的材料性能是一 个十分重要的问题，高熔点材料的脆性，信号随温度 升高而衰减，信号的不稳定性等都是其面临的问题， 但用蓝宝石作为敏感元件很好地解决了这些问题。

超声波在敏感元件中传输时，波速随导波频率 而变化，即导波具有频散特性，其群速度与相速度随 频率与敏感元件的厚度之积而变化，频散特性会增 大反射信号的提取难度[8’9]。频厚积的增长会产生 更多的模态，超声导波的多模态会让问题更加复杂，

2

超声温度传感器的设计

蓝宝石的主要成分为氧化铝，因含微量元素鈦

或铁而呈蓝色。使用的蓝宝石为单晶氧化铝，熔点

为2 052 °C，莫氏硬度为9，具有良好的声传输特性 与导热性能，能很好地实现信号的传输与温度的测 量。蓝宝石光纤具有耐高温、耐腐蚀、高精度、高分 辨率、宽响应频带、抗电磁干扰等一系列的优点，在 制作高温传感器方面具有独特的优越性。

超声在介质中遇到缺陷时会发生发射，根据回 波特性和声速即可确定缺陷特征。同时，超声在介 质中的传播速度与温度有关系。如果人为地在超声 介质中设计一定距离的“缺陷”节点，再将该节点放 置到高温环境中，节点位置反射回波时间差将会发 生变化，即可获得反射回波速度，再根据超声波速度 与温度的关系，可以推算得到温度。蓝宝石超声温 度传感器如图1所示。

超声传感器的速度计算公式为

v(T) = 2i

元件中超声波的声速。2.1超声探头

⑵

因此设计合适尺寸的敏感元件显得尤其重要。

群速度、相速度与频厚积的关系如下：g

c^-2^

dc

d(2^y

式(2)中，d表示区截到敏感元件端面的距离；仏表 示区截与反射信号之间的时间差；〃（n表示敏感

式(4)中，允为频率-厚度积，/为所要求的导波频 率，^为所测试件的厚度；Cg为群速度；Cp为相 速度。

从以上关系可知选取直径较小的蓝宝石光纤能 使频散较小，而且能很快与被测区域达到热平衡。 同时，由于敏感兀件的直径要小于超声波纵向波长

的1/10,因此在传感器设计时选取了长500 mm、直 径1 mm的蓝宝石光纤作为敏感元件。2.3区截的设计

由于超声测温取决于连续反射信号的时间的精 确测量，不能容忍反射信号形状的不可再现的变化。 因此环与支座等通常不适合用做间断，而区截却非 常适合。声反射间断可以确定传感器元件的区截与

敏感元件

超声探头最主要的功能件是超声换能器。超 声换能器种类很多，本文主要使用压电超声换能 器来实现声能与电能相互转换，而换能器又以压

电元件最为重要[7]。压电元件是基于电介质材料 的压电效应工作的，即在外加力发生变形后，内部 极化产生正负电荷，撤掉外力后回复原来不带电 状态的正压电效应和施加电场，材料机械变形，去 掉电场，恢复原来状态的逆压电效应。用压电方 程表7K如下：

[D = dT + stE

(3)

U = seT + dE 式(3)中，第一个方程叙述了正压电效应;第二个方程

\\

区截

超

声探头

)

感元件的传播时间 A

超声脉冲 发生器

信号采集器

巴超敏冲

I声波在

Fig. 1 Schematic diagram of sapphire ultrasonic temperature sensor

图1蓝宝石超声温度传感器示意图

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原东方，等:基于超声波的蓝宝石温度传感器

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端面位置。超声波在变截面或者不同物质的界面处 传播时，会发生反射、透射，要想产生理想的反射信

号，就必须考虑波导杆的区截反射与透射系数的阻 抗匹配般反射系数在〇. 2和0. 3之间最为合 适，本设计选择反射系数为〇. 2。

。

一

宝石超声温度传感器、信号发生器、数据采集卡、计

算机、钨铼热电偶和温度记录仪构成。实验中，由于 无法保证高温炉中每|区域的温度都保持一致，为 保证实验结果更加准确，将钨铼热电偶与传感器放 置在同一位置。用精确度更高的钨铼热电偶对传感 器进行标定。超声测温系统如图2所示。

为了使结果更加准确，实验采用了 1〇〇 MHz的 数据采集卡，并得到了较好的实验结果。共进行了 3次实验，图3分别为第|次实验中在常温下（20

声导波阻抗公式为

z = pcA

传感器的反射系数、透射系数为_ ^2 ~Z2 + Z1Z2

T =Z22

+ Z1

(5)

式(5)中，P为密度；c为声速；4为波导杆的面积。

(6)

(7)

°C )和1 600 °C下采集到的波形。

从波形中可以清晰地看出传感器在区截处和 端面处有较明显的反射波形，而且在常温下两个

反射波之间的时间差为4.68 在1 600 T时为6. 80 jxs。在实验中，将热电偶作为传感器声速-温 度曲线的标定a在常温下到1 600 °C间，通过观察 温度记录仪的数值，每隔100 °C采集一次数据。 将3次实验得到的数据进行处理得到的曲线如 图4所示。

从图4中可以看出声速与温度间有较为良好 的线性关系，并且超声波在敏感元件中的传播速 度随温度升高而减小，并且温度越高，减小越剧 烈。实验的稳定性较好，3次实验温度对应的声速 值基本一致，充分证明了用超声波进行温度测量 的可行性，并为超声温度传感器的研究提供了理 论与数据支持s

传感器

式中，K为反射系数；T7为透射系数；4和为传感

器敏感元件直径变化前后的阻抗^由式(5)〜式(7) 可得敏感元件改变前后的直径与反射系数的关系为

式(8)中，^为初始直径；心为改变后的直径；^为 反射系数。

经过计算，敏感元件的直径设计为1 mm，区截 的直径为〇. 8 mm，区截的长为1 mm，区截到敏感元 件端面的距离为24 mm。

3

超声传感器测温实验与分析

超声测温系统主要由高温炉（〇〜1 600 °C )、蓝

热电偶

^__〇\\ I

数据采集卡信号发生器

丽

高温炉

I温度I

温度记录仪

2超声测温系统

Fig. 2 Ultrasonic temperature measurement system

图

时间/10_5:

(a) 20 °C下超声检测原始回波信号

4

(b) 1 600 °C下超声检测原始回波信号

3反射信号波形

Fig. 3 Reflected signal waveform

图

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2

3

4温度-声速变化曲线

Fig. 4 Temperature-sound velocity curve

图

4 5

4

结论

蓝宝石超声温度传感器的研究既可以解决热电 偶测温上限的问题，又可以解决辐射式测温受环境 因素影响较大，测温精度不筒等冋题，为筒温领域提 供了一种新的测量手段。它具有安全、成本低、灵敏 度筒、检测范围广等一*系列的优点。米用蓝宝石作 为传感器的敏感元件，初步研究了传感器超声探头、 敏感元件尺寸及区截的设计并得到了传感器声速与 温度间的关系，但是高温炉的温度漂移与没有通过 精确算法对回波信号进行计时可能会导致测量结果 存在误差。实验的下一步会针对这些问题进行深人 研究。实验结果表明，传感器对于高温环境的测量 展示了独特的优势，这种测温方法重复性好，稳定性 高，可以用于超高温环境下温度的测量。

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Sapphire Temperature Sensor Based on Ultrasonic Wave

(State Key Laboratory for Electronic Test Technology, North University of China, Taiyuan 030051 ,P. R. China)

YUAN Dong-fang, LI Yang-jun, WANG Gao, LIANG Hai-jian, TIAN Miao

range, especially in high temperature and harsh environments for measurements. Sapphire is used as the sensitive element of ultrasonic temperature sensor. According to the ultrasonic probe, the size and area of the sensing ele­ment, the sapphire ultrasonic temperature sensor model is designed and calibrated with tungsten rhenium thermo­couple in high temperature furnace, the temperature curve of sapphire ultrasonic temperature sensor was obtained. Which provides a theoretical basis for the measurement of ultrasonic temperature sensor in high temperature environ­ment.

[Key words ] ultrasonic temperature measurement sapphire sensor sensing element

[Abstract] Ultrasonic temperature measurement method than the traditional fast has accurate, wide temperature