CN108613748B - 一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统及方法。压电结构在振动模态的谐振频率和反谐振频率之间会表现出非常好的感性特征，同时压电结构的特征频率具有温度依赖特性。针对这些特性我们提出了一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统及方法，该测量系统包括测温探头、阻抗分析电路和电感‑温度换算模块。测温探头是一个用于温度传感的压电陶瓷探头；阻抗分析电路通过对工作在振动状态下的测温探头进行阻抗分离，计算出压电陶瓷探头的谐振电感值及电阻值；电感‑温度换算模块用于分析测量所得电感值来反应温度的变化，从而换算出相应的温度值。本发明可以通过压电陶瓷谐振电感的变化反应温度的变化。

Description

一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统及方法

技术领域

本发明涉及压电陶瓷测温技术领域，尤其涉及一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统及方法。

背景技术

温度测量的分类可以通过其与被测量的物体是否接触，分为接触式和非接触式。非接触式测温是通过热辐射的原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快，但受到物体发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，其测量误差较大。接触式测温主要是将传感器安置在待测设备表面，传感器和设备表面紧密贴合,能够较为准确地获取设备温度。但是，由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，所以需要一定的时间才能达到热平衡。同时，接触式测温存在测温延迟现象，受耐高温和耐低温材料的限制，不能应用于极端的温度测量。

随着压电陶瓷技术领域的不断扩大，压电陶瓷的应用受到人们的广泛关注。压电陶瓷的压电效应被广泛的应用在各个领域，传统的观点认为压电结构普遍表现出来的都是容性阻抗特征，因此基本都当作容性器件来使用。而实验研究发现，压电陶瓷结构，在一定的频率范围内(谐振频率与反谐振频率之间)能表现出非常好的感性特征。同时，压电陶瓷材料的性能具有温度依赖特性，其参数是随温度变化而变化的。但压电结构工作在准静态下时，其参数随温度的变化并不十分显著；而当压电结构工作在谐振状态时，其参数随温度的变化就比较明显，尤其是谐振频率处的等效电感参数，对温度的变化非常敏感。因此，本文以压电陶瓷谐振电感原理为基础，提出了一种压电陶瓷测温的方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电陶瓷谐振电感原理的压电陶瓷探头测温方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统，包括依次连接的测温探头、阻抗分析电路和电感-温度换算模块，其中：

所述测温探头为一个压电陶瓷探头，向压电陶瓷探头通以高频交流电，使其工作在谐振模态的谐振频率与反谐振频率之间；

所述阻抗分析电路，用于对工作在振动状态下的压电陶瓷探头进行阻抗分析，分离出等效电感值；所述分离出的等效电感值，与压电陶瓷探头所处的被测环境的温度值有关；

所述电感-温度换算模块，用于根据事先标定的压电陶瓷探头电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电陶瓷探头所处的被测环境的温度值。

上述基于压电陶瓷谐振电感的测温系统中，所述压电陶瓷探头的形状是平面状，所述平面状包括但不限于以下任一种形状：矩形、圆盘形、圆环形、三角形或梯形。

上述基于压电陶瓷谐振电感的测温系统中，所述谐振模态包括但不限于以下任意一种模式：长条形振动模式、径向振动模式、厚度振动模式或辐射振动模式。

所述阻抗分析电路采用交流电桥、差动放大器和锁定放大器组成的电路，也可以采用其他能够分离出等效电感值的阻抗分析电路，例如采用鉴相器与滤波电路组成的相位检测电路。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于上述测温系统的测温方法，包括以下步骤：

将压电陶瓷探头置于被测环境中；

向压电陶瓷探头通以高频交流电，使其工作在谐振模态的谐振频率与反谐振频率之间；

阻抗分析电路对工作在振动状态下的压电陶瓷探头进行阻抗分析，分离出等效电感值；所述分离出的等效电感值，与压电陶瓷探头所处的被测环境的温度值有关；

电感-温度换算模块，根据事先标定的压电陶瓷探头电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电陶瓷探头所处的被测环境的温度值。

本发明实现了一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统及方法，一方面使用压电陶瓷探头，由于压电陶瓷探头易于加工制作，成本低廉，无电磁干扰，可以满足结构小型化、集成化的需求，适用于给各种微电子器件中；另一方面，在压电陶瓷驱动技术的基础上增加了温度测量功能，在应用上也扩展了压电陶瓷的使用范围及功能。

附图说明

图1为本发明基于压电陶瓷谐振电感的测温系统的结构和测温操作示意图；

图2为本发明PZT-4压电测温探头平面扩张模态附近的电感特性测试示意图，其中：

图2a为本发明实施例中矩形压电测温探头轮廓辐射振型等效电感、等效电阻和阻抗相角示意图，图2b为图2a中虚线部分的放大图；

图3为本发明测温探头在不同频率下等效电感随温度的变化曲线。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

图1～图3为本发明温度测量系统及方法说明的一个实施例。

参照图1，本发明提供的一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统的结构包括测温探头、阻抗分析电路和电感-温度换算模块。测温探头采用一个压电陶瓷探头，将压电陶瓷探头置于待测环境中，从而探测周围环境的温度。测温时对压电陶瓷探头通以一定频率及功率的高频交流信号，使得压电陶瓷探头工作在谐振模态。该频率应稍高于其谐振频率，处于谐振频率和反谐振频率之间。此时压电陶瓷探头的等效电感值对温度的变化十分敏感。在压电陶瓷探头驱动过程中直接接入阻抗分析电路，该电路能够动态的分析压电陶瓷探头的阻抗参数，同时分离出等效电感值与等效电阻值，得到等效电感值。然后，通过电感-温度换算模块将采集到的等效电感值经过事先标定的电感-温度换算模块即可得出相应的温度值。

图2a和图2b给出了一矩形压电陶瓷探头轮廓辐射振型下的等效电感、等效电阻和阻抗相角。在谐振点附近，随着频率的增加，阻抗相角从容性变为感性，在图2a中87kHz处出现了突变点，阻抗相角由-90度变成+90度。图2b中是将感性范围区段放大图，可以看出在谐振感性区域，随着频率的增加电感逐渐增加，刚刚进入电感区域，基本上是线性的增加，到后期接近谐振点出现指数级别巨大的增加。由于压电陶瓷材料的性能具有温度依赖特性，其参数是随温度变化而变化的。当压电结构工作在谐振状态时，其谐振频率也会随着温度的变化而变化。当频率随温度变化有漂移时，从图2b可以看出，等效电感值则会变化的更明显，对温度的变化非常敏感，因此可以进行高灵敏度的温度测量。

参照图3，所述为对图2对应的压电陶瓷探头进行电感-温度分析的实验数据。从图2a可以看出，该压电探头的谐振频率和反谐振频率分别为87kHz和97kHz。对压电探头通以不同频率的交流电，频率点位于其谐振频率与反谐振频率之间。对于每一个工作频率下，改变被测环境温度，通过阻抗分析电路得出不同温度点的等效电感值，并采集记录下来。最终绘制出如图3所示的电感-温度曲线，可以看出，越接近反谐振频率，温度对电感的影响越明显。因此，本发明可以通过压电陶瓷谐振电感的变化，实现对温度的实时监测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于压电陶瓷谐振电感的测温系统，其特征在于：包括依次连接的测温探头、阻抗分析电路和电感-温度换算模块，其中：

所述测温探头为一个压电陶瓷探头，向压电陶瓷探头通以高频交流电，使其工作在谐振模态的谐振频率与反谐振频率之间；

所述阻抗分析电路，用于对工作在振动状态下的压电陶瓷探头进行阻抗分析，分离出等效电感值；所述分离出的等效电感值，与压电陶瓷探头所处的被测环境的温度值有关；

所述电感-温度换算模块，用于根据事先标定的压电陶瓷探头电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电陶瓷探头所处的被测环境的温度值。

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷谐振电感的测温系统，其特征在于：所述压电陶瓷探头的形状是平面状，所述平面状包括但不限于以下任一种形状：矩形、圆盘形、圆环形、三角形或梯形。

3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷谐振电感的测温系统，其特征在于：所述谐振模态包括但不限于以下任意一种模式：长条形振动模式、径向振动模式、厚度振动模式或辐射振动模式。

4.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷谐振电感的测温系统，其特征在于：所述阻抗分析电路包括交流电桥、差动放大器和锁定放大器。

5.基于权利要求1-4任一所述的测温系统的测温方法，其特征在于：包括以下步骤：

将压电陶瓷探头置于被测环境中；

向压电陶瓷探头通以高频交流电，使其工作在谐振模态的谐振频率与反谐振频率之间；

阻抗分析电路对工作在振动状态下的压电陶瓷探头进行阻抗分析，分离出等效电感值；所述分离出的等效电感值，与压电陶瓷探头所处的被测环境的温度值有关；

电感-温度换算模块，根据事先标定的压电陶瓷探头电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电陶瓷探头所处的被测环境的温度值。

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