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氧化铝单晶超声温度传感技术研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目()山西省青年科学基金项目()省高等学校科技创新项目()作者简介:薛红新()女博士讲师:.:./.氧化铝单晶超声温度传感技术研究薛红新刘良民苗婉茹王丙寅王志强陈国锋(.中北大学 计算机科学与技术学院 太原 .动态测试技术国家重点实验室 太原.内蒙动力机械研究所 呼和浩特)摘要:针对航空、航天发动机温度测试过程中存在的传感器耐氧化性差、使用寿命短、测温精度低等迫切需要解决的问题 首先采用超声导波测温原理使用氧化铝()单晶纤维作为超声波导构建了超声温度测量系统 其次对传感器的敏感元参
2、数进行了设计利用激光加热基座法生长的氧化铝单晶超声波导制作了超声温度传感器最后对所制作的超声温度传感器进行了标定在 传感器的灵敏度为./()重复性为.在模拟航空发动机测试平台上进行了测温实验经分析该次测量合成不确定度为.该方法为解决航空、航天发动机等恶劣环境下的温度测量提供了新的途径关键词:超声导波温度测量氧化铝单晶超声波导激光加热基座法本文引用格式:薛红新刘良民苗婉茹等.氧化铝单晶超声温度传感技术研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):()./().:引言对于航空、航天发动机内部温度的测量有助于优化结构设计提高发动机工作效率 一般的温度测量多采
3、用接触式或非接触式的方法对于小于 温度的发动机背部温度测量接触式测温方法有热电偶、荧光光谱测温、示温漆、晶体测温、光纤测温等 非接触式测温方法有激光干涉法、原子发射光谱、热像仪、多光谱测温等 但是在接触式测温中对于发动机内部大于 氧化环境长时间测温还没有更好的解决方法 例如铱铑热电偶能够在 氧化环境中使用但是长期高温会导致偶结晶粒变大容易受气流冲刷导致偶结开裂而且贵金属热电偶造价高 荧光光谱法进行测温能够对发动机叶片等温度进行测量但是局限于荧光物质的熔点低的影响无法对 以上的环境温度进行测量示温漆、晶体测温的方法只能测量环境达到的最高温度 无法对温度变化实时测量光纤光栅测温的方法能够防止电磁干
4、扰蓝宝石光栅能够测量 的高温但是在温度大于 时环境光会耦合到光纤中 对其准确测量性有一定的干扰 接触式方法不受环境因素影响具有较高的测温精度但传感器需要置于温度场 非接触式方法测温方便不需要置于温度场内对温度场没有影响是否氧化冲刷环境都不会影响传感器但是测试中目标物如飞机发动机叶片的发射率改变水汽、灰尘等因素对测量精度都有一定的影响 因此有必要研究一种接触式、能够在 氧化环境中耐冲刷长时间有效工作的新型传感器解决航空发动机、火箭发动机等恶劣环境下温度测量的难题超声测温技术是一种新型的温度测量手段通过超声波在介质中传播随着环境温度的改变超声传播速度会发生变化由此可获得声速与温度的关系最高可测量接
5、近材料熔点的环境温度 近年来由于氧化铝()单晶具有优良的热学、力学和光学特性被广泛地应用于高温炉窗口、高温传感器基片和导弹导引头光学罩 同时随着激光加热基座法()生长单晶技术的发展 已能够生长长度大于 、直径小于 的大长径比氧化铝单晶超声波导 因此结合氧化铝单晶抗氧化、耐高温等稳定的物理化学特性有望实现高于 氧化环境中长时间、实时温度的测量 基本原理.超声导波测温原理超声具有良好的指向性、抗干扰性将超声导波应用于测温领域有助于提高传感器在氧化环境中的测温上限和抗电磁干扰能力超声在材料中传播时声速 与温度 有一定的相关关系 在固体介质中超声波的纵波与横波的声速方程可表示为:()()()()()(
6、)式中:为超声波纵波声速为超声波横波的声速 为所选波导材料的弹性模量 为该材料的密度 为泊松比通常选择超声波纵波的声速与温度的关系来进行温度的测量则可将声速方程变为:()()()()通过测量超声的传播时间 在确定敏感区节长度 的条件下可计算出声速即可得到声速()与环境温度 的关系()()()获取超声传播的时间即可得到对应温度下的声速因此由上位机发出激发信号到超声激励电源电源产生脉冲激励在超声探头处激发出声波信号耦合到超声波导 当超声波遇到制备的敏感结构反射声信号到达探头处将声信号转化为电信号数据采集器将放大的信号传输至上位机进行处理、计算和显示从而实现超声传播时间的测量进而得到对应温度下的声速
7、测试原理如图 所示图 测试原理框图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.声阻抗匹配原理对于传感器敏感元的设计一个关键的参数是反射系数这关系到声波传输的阻抗匹配问题 超声波传输时遇到波导杆直径变化的位置会有声波反射的现象产生这种反射的产生与声阻抗变化有密切的关系 在产生声波反射位置的声阻抗大小如式()所示 ()在敏感元区节处的反射系数、透射系数 的公式为:()()其中、表示直径突变前、后的阻抗、之间的关系可由式()表示:()式中:是敏感元件初始的直径即波导杆直径是区节处改变后的直径 代入式()中 和 可进一步表示为:()()同理也可由敏感元件的反射系数 来获得变截面处直径的比值:()选择合理
8、的反射系数才能构建一个信噪比高、敏感元强度高、抗干扰的理想的敏感结构因此在一直超声频散的前提下结合传感器波导杆的强度选取直径.的氧化铝单晶波导材料凹槽直径设计为.可以有效地提高信号的信噪比降低信号采集处理难度进而提高测试精度 根据式()兼顾信号采集处理的难度尽可能使区节长度最小的原则设计区节长度为 设计的传感器敏感元结构如图 所示图 传感器敏感元结构.传感器制备及测温系统搭建.波导生长激光加热基座法()作为一种生长高质量单晶纤维的方法被广泛地应用在超声波导生长方面 在单晶波导生长过程中对籽晶提升速度的控制是实现超声波导生长的关键对超声传输和敏感元感受环境温度有很大的影响 利用汇聚的激光对源棒进
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