氧化铝单晶超声温度传感技术研究.pdf

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:()()()()()()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行加热产生融区将籽晶伸入融区通过控制籽晶的提升速度 和源棒上升速度 来实现单晶超声波导几何参数的调控生长不同直径的单晶波导 生长装置示意图如图 所示图 单晶纤维生长装置示意.为生长外形均匀、无起伏变化的超声波导籽晶提升速度 和源棒上升速度 应满足以下关系:()()其中:表示籽晶直径表示源棒直径本文利用氧化铝单晶波导籽晶生长了长度为 、直径为.的大长径比超声波导单晶纤维自制的氧化铝单晶超声波导如图 所示图 生长的氧化铝单晶超声波导.超声温度测量系统搭建与测试根据超声测温原理搭建了超声温度测量系统 系统由温度敏感元件、超声发射接收装置、超声信号采集处理系统和探头耦合装置组成如图 所示 利用精密刻制的方法进行敏感元件制作形成温度敏感结构 采用 型脉冲发射接收仪使用.频率的超声探头进行超声激发和接收 将接收的回波信号进行相应处理捕获特征波信号用于计算得到超声传播时间 利用高温电阻炉对所搭建的超声温度测量系统进行测试高温炉提供 的温度环境 在升降温过程中间隔 设置一测量点保持 以使传感器温度与环境温度达到一致然后进行信号采集 采用标准铂铑热电偶作为标准温度参考薛红新等:氧化铝单晶超声温度传感技术研究图 超声温度测量系统.结果与分析.实验标定结果采用 法自制的和购置的氧化铝单晶超声波导分别制备超声温度传感器进行对比如图 所示 图 中上方波导裸露的传感器为自制氧化铝单晶制成的下方则是购置的氧化铝单晶制成的传感器 在高温炉中分别对传感器进行加热采集不同温度下的超声信号 采用相关算法处理后得到不同温度下的超声传播时间如图 所示可见随着温度的升高超声传播时间变长图 单晶超声温度传感器.图 自制氧化铝单晶温度变化波形.对自制的氧化铝单晶超声波导制成的超声温度传感器进行了 次去程回程测试自制超声波导所制成的超声温度传感器温度声速关系曲线如图 所示 通过 次去程回程测试在 根据式()计算得到传感器的灵敏度为./()()()图 自制超声波导温度 声速曲线.传感器的重复性由式()进行计算在 时得到最大的样本标准偏差为.包含因子 取.计算得到重复性误差为.则重复性为.()同时对购置的氧化铝单晶超声波导制成的超声温度传感器也进行标定得到 种氧化铝单晶传感器的温度 声速曲线如图 所示 在测试过程中传感器均遵循温度升高、声速逐渐降低的规律 在 温度变化的过程中自制的声波导声速由./降至./购置的声波导由 ./降至 ./声速变化程度相近 同一温度下在去程和回程过程中 种超声波导材料声速差值最大值为./拉制的氧化铝单晶超声波导材料与商品化产品的超声传输速度相差很小兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 自制和购置的氧化铝单晶超声波导温度 声速曲线.对温度变化过程中相同温度下 种材料去程回程的声速差进行了分析得到图 所示图形 对于自制的波导材料在、温度点去程和回程的声速相同对于购置的波导材料在、温度点速差值最大为./通过对声速差的分析相较于购置的波导材料自制的超声波导材料作为敏感元去程和回程的声速相同在 时去程与回程的声速变化更稳定图 自制和购置的声波导声速差.模拟航空发动机测试氧化铝超声温度传感器标定完成后在模拟航空发动机试验平台上进行测温实验 根据模拟航空发动机(简称“模拟航发”)的测试孔所预留的结构设计了模拟航发内部温度测量传感器的工装结构如图 所示 整个工装结构包括氧化铝超声温度传感器、与模拟航发连接的法兰和气体滞止室 连接法兰将传感器固定于模拟航发的测温孔滞止室可以使传感器的辐射误差和速度误差变小图 模拟航发测温传感器工装.模拟航发测试中采用某型号发动机的燃烧室与相应排气结构组成测试试验台该系统可以 长期稳定运行短时可到 燃烧室最大进气量为./点火运行后可模拟真实燃烧室出口温度环境实验过程中温度传感器置于尾气段如图 所示图 模拟航发结构示意图.温度传感器安装完成后点火进行了试验采用信号采集装置对点火后燃烧过程中的温度变化数据进行了采集对数据处理后得到模拟航发燃烧各种温度变化如图 所示在开始采集后第 进行了点火之后温度快速上升至 左右在第 时升至 保持一段时间后升至最高 之后开始减小供油量开始降温阶段将近 后测试段温度降至常温结束实验 对于模拟航空发动机燃烧尾气的测量结果进行不确定度分析 其中以 为例 类不确定度根据式()进行计算:()()()()()计算可得到 类不确定度()为.标准热电偶薛红新等:氧化铝单晶超声温度传感技术研究的计量证书标明其测量不确定度为.得到超声温度传感器由校准引入的 类不确定度()为.超声收发系统的不确定度为.则引入的 类不确定度()为:().()计算可得()为.合成不确定度采用式()进行计 算 经 过 计 算 得 到 本 次 测 量 的 合 成 不 确 定 度为.()()()()图 模拟航发温度变化.结论航空、航天发动机等强氧化、强冲刷环境下的接触式温度测量是一个亟需解决的难题 本文基于超声温度传感原理设计了氧化铝超声温度传感器主要结论如下:)根据理论设计了波导直径为.、敏感元区节长度为 、凹槽直径为.的氧化铝超声温度传感器具有较好的温度敏感特性)使用 法生长了氧化铝单晶超声波导根据设计的参数制作了超声温度传感器通过对标定结果的处理得到在 传感器灵敏度为./()重复性为.)通过实验数据对比发现 法生长的大长径比单晶超声波导与购置的单晶超声波导具有相近的声学特性能够满足温度传感的需求)利用氧化铝超声温度传感器在模拟航空发动机试验平台上对燃烧后尾气温度进行了测量最高测得 经分析该次测量的合成不确定度为.通过以上实验可以看到利用超声温度传感的方法结合氧化物单晶材料抗氧化的特性有望解决航空、航天发动机等强氧化、强冲刷环境中的高温测量难题参考文献:赵俭.基于双热传导方程的高温燃气温度传感器设计方法.计量学报():.():.刘振华方峻杨晨.变工况条件下的通用机枪身管温度场与烧蚀特性分析.兵器装备工程学报():.():.代威夏东坤张雯等.一种小型发动机燃烧室冷却方式对出口温度场的影响.兵器装备工程学报():.():.:.陈宇张海峰卢荣德等.基于条纹傅里叶变换的二维温度场激光干涉测量.中国科学技术大学学报():.():.:.陈靖王高梁海坚等.铱及铱铑合金微观特性和热电特性.金属热处理():.():.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.():.():.赵俭王鹏刘琳琳.几种典型温度传感器跨超音速恢复特性校准.计测技术():.():.():.:.():.():.:.():.王楠楠师钰璋王高等.蓝宝石光纤高温测量技术进展.计测技术():.():.():.:.:.:.():.():.苗婉茹杨录梁海坚等.蓝宝石超声高温传感参数技术研究.中国测试():.():.科学编辑 杨继森 博士(重庆理工大学教授)责任编辑 贺 柳薛红新等:氧化铝单晶超声温度传感技术研究