CN111089660A - 一种绝对式超声波磁致伸缩温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种绝对式超声波磁致伸缩温度传感器。该传感器的组成包括：测量杆、变送器、磁致伸缩波导丝、检测线圈、圆环形永磁体、波导丝绝缘固定套管、控制采样模块、脉冲发生电路和电缆；所述的测量杆的上部为圆柱体元件仓，下部为波导丝外壳；所述的波导丝外壳为直线型测量杆、平面型测量杆或立体型测量杆；本发明基于测量杆较强的原始输出信号，可通过连接电缆在远程控制端设置变送器，进一步提高可靠性和可维护性等。

Description

一种绝对式超声波磁致伸缩温度传感器

技术领域

本发明将磁致伸缩Fe-Ga、Fe-Co材料应用于温度传感器领域，主要涉及基于Fe-Ga、Fe-Co材料的绝对式超声波磁致伸缩温度传感器，可应用于高温、高压、封闭环境以及强震动等复杂恶劣工况下的大范围温度和温度梯度测量。

背景技术

超声波磁致伸缩温度传感器有潜力为许多应用提供可靠的温度测量，包括在玻璃和低熔点金属熔炼、加工工业、核电站等温度监测至关重要的地方，能够实现实时温度与整个工业过程的温度监测与空间温度分布显示。工业上常用的热电偶、热电阻和辐射高温计存在许多问题，例如：热电偶和热电阻温度传感器在长期的工作过程中经常受到温度漂移的影响，输出信号电压幅值小、易受电磁干扰、长距离传输难以及一个传感器只能测量一个位置温度的能力；辐射高温计是根据物体在整个波长范围内的辐射能量与其温度之间的函数关系设计制造的，其测量需要一个视线，即被测表面和辐射温度计之间需要光路通过，这在一些封闭的工业高温过程中通常是不可行的。但是在一些工业应用中必须监控不同位置的温度，例如能源领域中核能压水堆内、柴油机和汽轮机等发动机缸内增压器及再热器等位置的高温流体温度梯度测量；锅炉、汽包等多层热工介质(蒸汽和水等)的温度测量，单一介质内的温度梯度测量；重要的电力设备如变压器等判断局部过热情况，进行温升试验中的多点温度测量；石油、化工等领域内反应器等大型设备内为保证进料气体或液体达到要求的转化率，在催化剂床层不同高度上的多点温度测量以及其他材料合成和过程监控中温度梯度的测量等。此外，热电偶中连接点的失效也值得关注，特别是在高温和强振动环境中使用，所需的补偿导线也在使用中造成很多限制且提高了成本。

因此，需要一种多位置传感，更可靠，适应高温、高压、封闭环境以及强震动等复杂恶劣工况的温度传感器替代方案。新型高居里温度磁致伸缩材料和超声导波技术有潜力解决这些限制。申请者前期对于磁致伸缩波导丝的研制做了系统的工作，通过合金成分与加工工艺的优化制备出了Fe-Ga与Fe-Co磁致伸缩合金丝(Φ＝0.5～0.8mm)，这两种合金丝的居里温度都在650℃以上，并且魏德曼效应明显，能够满足温度传感器在高温环境下工作仍具有稳定可靠的铁磁性。

轴对称的扭转模态是超声导波中较为常用的检测模态，尤其是在波导丝杆模型中激励的T(0,1)模态。T(0,1)模态的波包结构简单，其入射信号能够在传播过程中保持信号波形，传播更长的距离而衰减较小；该模态导波的传播速度在一定的频率范围内基本不受频率变化的影响，即具有良好的非频散特性；只有周向的振动位移，没有径向的位移，在导波传播过程中能量泄露较少，易于检测。通过超声波导技术使用这种波导丝来支持扭转波T(0,1)在高温环境中的多级温度测量，在两个固定位置的永磁体区间内测量超声波飞行时间差，可得这一区域内的超声波速度。已知温度变化引起的材料属性(剪切模量G和密度ρ)变化，材料属性决定扭转波速度。根据实验测得的波导丝声速温度的函数，通过检测两个永磁体之间的波导丝声速，来确定周围介质在两个永磁体之间区域的温度。

基于磁致伸缩波导丝的温度传感方法与传统的热电阻热电偶相比具有许多优点，包括高可靠性的绝对式测量，没有可能发生故障的连接结，有源测量输出信号电压幅值大，以及在一个波导丝中规划多个测量区域的能力。

近些年超声测温文献研究，根据原理划分主要集中在脉冲反射法、共振法和脉冲穿透法。其中共振法测量精度高但测量时间较长，穿透法需要两个超声探头无法做到自发自收。故目前研究的重点主要为脉冲反射法，其导波测温原理结构图如图1所示，主要结构包括超声换能器1、聚能器2、波导杆3、刻伤节点4和端面5。所述的聚能器2又称超声变幅杆，通过把机械振动位移或速度进行放大，实现将能量集中到较小的辐射面。所述的波导杆3为钍钨合金、钨铼合金、蓝宝石、不锈钢等非磁致伸缩材料，传统波导材料的选取主要考虑以下三个方面：(1)在被测温场环境下，除模量和密度以外的材料物理性质和化学性质不会随着温度的升高或降低而改变；(2)有良好的热传导能力，可以快速达到被测温度值；(3)有良好的声传导性。所述的超声换能器1核心部件为压电晶片，其工作原理将高压窄脉冲激励信号作用在压电晶片产生逆压电效应，将电能转换为机械能，产生弹性波，再通过聚能器将弹性波放大、耦合至波导杆；接收超声信号时，超声反射波通过聚能器作用于压电晶片下产生压电效应，并将机械能转换为电能，超声换能器与聚能器之间通过油膜来进行耦合。所述的刻伤节点4为波导杆3上距离端面5固定位置处所制造的一定深度的缺口槽，可反射导波。

脉冲反射法导波测温技术方案为在进行高温检测时超声波在波导杆2中传播，传至刻伤节点4处时有部分超声波反射，称之为节点反射波，剩余部分传至波导杆端面5时反射，称为端面反射波。设刻伤节点4处到波导杆端面5的距离为ΔS，端面反射波和节点反射波反射至传感器的时延差为Δt，则声速c为：c＝2ΔS/Δt。

由于超声波在材料均匀的圆柱体波导杆中传播时，超声波在波导杆边界发生多次反射，导致在波导杆内发生几何弥散和复杂干涉现象。超声回波信号分析难度大，信号小易受干扰，在实际应用中仍有不足之处，工业应用不可靠，难以大规模商业生产，主要体现在：(1)基于超声波原理的测温设备分析复杂计算量大，具有滞后性，无法实现对所测量的温度在线监测和实时显示；(2)超声导波测温系统，通过对信号进行高速采集后将数据传至PC机上进行数据处理和结果显示，因此测温设备比较笨拙，无法达到小型化和便携化；(3)数据处理和结果显示设备复杂且成本高；(4)超声换能器本身磁滞特性和易受温度影响的特性限制了测量准确性(5)超声换能器和波导材料之间需要良好的表面耦合装配以实现最佳测量，耦合点易受高温、高压和振动等干扰，难以在复杂的工业测量环境中应用(6)波导材料直径越小越难以做到良好耦合(文献中提到的直径最小为1.2mm)，而小直径可以减小传感器的热惯性(6)超声回波信号分析难度大，信号小易受干扰，难以实现在大范围空间位置、强振动等特殊温场结构下测量。

发明内容

本发明目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种基于新型高居里温度磁致伸缩材料和超声导波技术的温度传感器。该传感器以圆环形永磁体、检测线圈代替刻伤节点和超声换能器作为超声波的发生和接收装置，由于圆环形永磁体、检测线圈不与波导丝直接接触，仅固定永磁体与检测线圈相对位置不变化，不受振动影响无易损连接点；可根据使用时测量不同空间位置温度的需求，在测温区间内弯曲为曲率半径不小于其直径的10倍的任意空间曲线形状和检测线圈与测温单元中永磁体以及同一测温单元中两永磁体的最小距离。本发明基于测量杆较强的原始输出信号，可通过连接电缆在远程控制端设置变送器，进一步提高可靠性和可维护性等。

本发明的技术方案是：

一种绝对式超声波磁致伸缩温度传感器，该传感器的组成包括：测量杆、变送器、磁致伸缩波导丝、检测线圈、圆环形永磁体、波导丝绝缘固定套管、控制采样模块、脉冲发生电路和电缆；

所述的变送器内部固定有脉冲发生电路和控制采样模块，上部通过电缆与测量杆相连，下部为引出的220V电源线和信号线；

所述的测量杆的上部为圆柱体元件仓，下部为波导丝外壳；

所述的波导丝外壳为直线型测量杆、平面型测量杆或立体型测量杆；

所述的圆柱体元件仓的内部组成为以下两种之一：

第一种，当所述的波导丝外壳为直线型测量杆时，

所述的圆柱体元件仓内安装有检测线圈和恒弹力装置；

所述的恒弹力装置包括底座、简支梁弹片和一个阻尼(第一阻尼)；底座固定在圆柱体元件仓的内壁上，为竖直的“倒L”型结构，其竖板顶部为向右侧凸出的横板；竖板右侧的下壁架设有简支梁弹片，第一阻尼贴合在简支梁弹片上，底座的横板的下表面固定有波导丝的顶端，波导丝的下部依次穿过阻尼、检测线圈和圆柱体元件仓的下部，末端经过另一个阻尼(第二阻尼)，固定在波导丝外壳的底端；其中，波导丝穿过第一阻尼和检测线圈的部分为垂直状态，波导丝的顶端到第一阻尼的波导丝的部分与竖直方向呈15～25°夹角；

或者，为第二种，

所述的圆柱体元件仓内安装有检测线圈；检测线圈安装在元件仓的轴线处，波导丝上端绝缘固定在元件仓外壳内壁的顶端，波导丝的下部依次穿过阻尼、检测线圈和圆柱体元件仓的下部；

所述的波导丝在圆柱体元件仓以下的部分，从上到下，依次套有n个区间测温单元，一个圆环形永磁体(末端圆环形永磁体)，末端为第二阻尼，n＝1～50；每个区间测温单元，从上到下，依次为一个圆环形永磁体(区间圆环形永磁体)和m个导丝绝缘固定套管，m＝1～5；其中，圆环形永磁6和波导丝绝缘固定套管的直径相同；相邻之间的导丝绝缘固定套管的间距为0.2～1.0mm；

所述的圆柱体元件仓顶部经电缆连接器引出电缆与变送器相连；其下部中心设有螺纹；底部外侧还设置有螺纹法兰；

所有的圆环形永磁体长度相同，为2～5mm；不同的区间测温单元中的导丝绝缘固定套管的长度相同或不同，长度范围为5～100mm。

所述的直线型测量杆的波导丝外壳为不锈钢直管；

所述的平面型测量杆的波导丝外壳螺旋形波纹结构的不锈钢螺旋管，外壳形状为平面涡状线；

所述的立体型测量杆的波导丝外壳为圆柱螺旋形波纹结构的不锈钢螺旋管，外壳形状为圆柱螺旋线；

所述的检测线圈为漆包线绕制的空心圆柱体，绕制300～1500匝。

其中，电气连接为：测量杆内的磁致伸缩波导丝两端分别通过电缆与变送器内的脉冲发生电路相连，测量杆内的检测线圈两端分别通过电缆与变送器内的控制采样模块相连；变送器内的脉冲发生电路与控制采样模块相连。

所述的磁致伸缩波导丝为丝状Fe-Ga或Fe-Co材料。

所述的圆环形永磁体材质为钐钴YX28，内侧绝缘。

所述的波导丝绝缘固定套管材质为氧化铝陶瓷管。

所述的阻尼为介孔二氧化硅气凝胶。

本发明的实质性特点为：

当温度传感器工作时，脉冲发生电路产生脉冲电压加在波导丝两端，该脉冲可产生周向磁场，当周向磁场传播到活动磁环位置时，与磁环产生的轴向磁场叠加，形成一个螺旋磁场。基于魏德曼效应，波导丝瞬间形变并产生扭转波，扭转波以一定的速度向波导丝两端传播。根据检测线圈感应到活动磁环扭转波信号时刻与产生驱动脉冲时刻的时间间隔，分别测得测温区间内两磁环位置到检测线圈的超声波飞行时间并求差。飞行时间差被用来确定波导丝材料的平均温度，从而感知周围介质在两个永磁体之间区域的温度。这是一种多位置传感，更可靠，适应高温高压以及强震动等复杂恶劣工况以及可根据需求重新配置测温区间的温度传感器替代方案。

该位移传感器的核心部分为高居里温度磁致伸缩材料波导丝，圆环形永磁体，检测线圈，恒弹力装置，脉冲电路，检测电路。其特点是测量精度高、可应用于高温(最高可达650℃)，不需要调零校准，可进行多点测量。

本发明的有益效果为：

目前，常用的热电偶、热电阻和辐射高温计存在许多问题，不能适应工业上振动、封闭等环境中的温度测量，本设计提出了一种基于新型高居里温度磁致伸缩材料和超声导波技术的温度传感器。

具体体现在：

1、本专利提出的温度检测方案，结构和原理与传统传感器不同：封闭结构，优于辐射高温计，可在封闭高压环境中使用，不受可见光限制；不含连接结等易损坏部件，优于热电偶，在强振动环境中使用可靠性更佳；绝对式测量，优于热电偶和热电阻，温度只与测量波速有关，传感器在长期的工作过程中不受温度漂移的影响，无需补偿导线。

2、丰富传感器测量功能，根据需求在一个波导丝中规划多个测量区域,可同时多点测量得到温度梯度数据。波导丝形状不限于直线形状，可根据使用时测量不同空间位置温度的需求，在测温区间内弯曲为曲率半径不小于其直径的10倍的任意空间曲线形状。拥有在波导丝上测量多个空间位置温度的灵活性，多位置测量只需一套检测系统，对传统温度传感器具有较大成本优势。

3、利用磁致伸缩Fe-Ga、Fe-Co丝状材料的魏德曼效应发射超声波，根据两永磁体间测量的超声波声速检测传感器周围介质的空间温度。波导丝使用Fe-Ga、Fe-Co材料，是具有高居里温度的磁致伸缩材料，居里温度不小于650℃，魏德曼效应强输出信号电压幅值高，适用于远距离传输。不使用电压幅值作为检测依据，避免了复杂的锁相检测电路，提高了准确性。由于扭转波的产生不存在耦合问题，可减小波导丝直径以减小热惯性带来的测量滞后。

4、为保证在高温下波导丝在恒张力下测量，在波导丝检测线圈一侧端面设置恒弹力装置。防止拉应力引起的输出电压减小，热膨胀率使波导丝与其他装置间的相对位移引起的测量误差，并起到了代替阻尼抑制回波噪声的作用。

5、基于以上改进，经过大量实验，优化各部分的配置，设计得到了磁致伸缩温度传感器，实验得到600匝检测线圈，激励脉冲为幅值30V，频率1800Hz，脉宽7微秒的方形脉冲波所产生的输出电压最大，并测得声速与温度拟合曲线T＝7595.65142-2.80157*v，可以作为检测温度的依据。

6、相比脉冲反射法导波测温装置对超声换能器施加500～50V的脉冲电压(由于压电探头型号和耦合情况不同导致施加电压会有很大差异)需通过80dB增益(放大10000倍)下得到1V左右的输出，本设计在波导丝(长度1m，长度不同导致波导丝电阻不同)两端施加30V，可在检测线圈两端不经放大器直接得到最大158mV最小20mV的电压输出。本设计在测量杆位置具有较强的原始输出信号(不经放大器)，可直接通过连接电缆在远程控制端设置变送器，进一步提高可靠性和可维护性，并可应用于高温、高压、封闭环境以及强震动等复杂恶劣工况下。

附图说明

图1为当前脉冲反射法导波测温原理结构图；

图2为本发明的超声波磁致伸缩温度传感器结构图；

图3恒弹力装置结构图；

图4直线型测量杆示意图；

图5平面型测量杆示意图；

图6(a)为立体型测量杆的正视图，图6(b)为立体型测量杆的立体图；

图7平面型测量杆及立体型测量杆中测温区间结构图；

图8Fe-Ga波导丝不同温度下检测波形图；

图9扭转波波速与温度的拟合曲线；

图10测量杆输出电压曲线；

图11测得的输出温度曲线。

具体实施方式

以下结合图对发明做进一步详述。本实施例仅为对发明的具体说明，不视为对保护范围的限定。

本发明所述的绝对式超声波磁致伸缩温度传感器的结构如图2所示，包括：测量杆1、变送器2、磁致伸缩波导丝3、检测线圈4、圆环形永磁体6、波导丝绝缘固定套管7、控制采样模块8、脉冲发生电路9和电缆12；

其中，所述的测量杆外壳1的上部为圆柱体元件仓，下部为波导丝外壳，材料均为非铁磁性的不锈钢，耐温800℃；

所述的波导丝外壳为直线型测量杆、平面型测量杆或立体型测量杆；

所述的圆柱体元件仓地结构为以下两种之一：

第一种，当所述的波导丝外壳为直线型测量杆时，

所述的圆柱体元件仓内安装有检测线圈4、恒弹力装置5；顶部经电缆连接器13引出电缆12与变送器2相连；下部中心设有螺纹，用于连接波导丝外壳；底部外侧还设置有螺纹法兰11，用于将传感器固定在待测装置上；

所述的圆柱体元件仓尺寸为Ф30mm*60mm；电缆连接器13插入状态下满足IP67防护等级要求；

所述的恒弹力装置5，位于测量杆1圆柱体元件仓内，支撑波导丝3在测量杆1内与圆柱管相对平行。其结构如图3所示，包括底座14、简支梁弹片52和一个阻尼51(第一阻尼)；底座14为竖直的“倒L”型结构，其竖板顶部为向右侧凸出的横板；竖板右侧的下壁架设有简支梁弹片52，第一阻尼贴合在简支梁弹片52上，底座14的横板的下表面固定有波导丝3的顶端，波导丝3的下部穿过阻尼51、检测线圈4的中心，末端经过另一个阻尼51(第二阻尼)，固定在波导丝外壳的底端；其中，波导丝3穿过第一阻尼和检测线圈4的部分为垂直状态，波导丝3的顶端到第一阻尼的波导丝3的部分与竖直方向呈15～25°夹角；

所述的波导丝3在圆柱体元件仓以下的部分，从上到下，依次套有n个区间测温单元，末端为一个圆环形永磁体6(末端圆环形永磁体)，n＝1～10；每个区间测温单元，从上到下，依次为一个圆环形永磁体6(区间圆环形永磁体)和m个导丝绝缘固定套管7，m＝1～5；其中，圆环形永磁体6和波导丝绝缘固定套管7的直径相同；相邻之间的导丝绝缘固定套管7的间距为0.2～1.0mm(其间隙可用耐高温无机纳米复合粘结剂填充固定-本发明使用的具体为河北志盛威华特种涂料有限公司的ZS-1071耐高温无机粘合剂。所述的波导丝3在圆柱体元件仓以下的部分还通过螺纹法兰11套有波导丝外壳；

本发明的传感器中，所有的圆环形永磁体6长度相同，为2～5mm，本实施例具体为3mm；不同的区间测温单元中的导丝绝缘固定套管7的长度相同或不同，长度范围为5～100mm。

波导丝3的一端固定在测量杆1外壳尾部底座14，另一端套入阻尼51的架设在简支梁弹片52上，绕过梁片后将波导丝，向与竖直成20°夹角方向以1Mpa的拉应力固定在距简支梁10cm的底座14上。底座14为倒置的L型，固定在圆柱体元件仓的左端；其顶部突出部分的下沿，与波导丝3的顶端固连；)简支梁弹片52架设在套有阻尼51的波导丝下，简支梁52与底座14间一端铰接一端固定。由于波导丝3的预张力，简支梁弹片22承受一定的正弯矩。恒弹性合金材料的简支梁弹片52垂直于波导丝施加恒定的应力，当温度变化时简支梁弹片52弹性不随温度变化，保证波导丝3所受张力恒定。阻尼51，材料为介孔二氧化硅气凝胶，嵌套在波导丝上，阻断热传递和声传递，并抑制回波噪声；简支梁弹片52，牌号为3J53恒弹性合金，尺寸50mm*30mm*1.5mm，架设在套有阻尼51的波导丝下；支座14，作为测量杆1的一部分，使用材质牌号430的不锈钢，与水平方向成10°坡角，支撑简支梁与支座间一端铰接一端固定。该装置适用于在不同温度的高温环境下，使用简支梁结构调整应力并吸收固定端反射的扭转波信号。

或者，为第二种，

所述的圆柱体元件仓内安装有检测线圈4；检测线圈4安装在元件仓的轴线处，波导丝3竖直穿过检测线圈4，上端绝缘固定在元件仓外壳内壁的顶端(绝缘固定，与外壳电气绝缘)，下端不固定自由伸长，两端的电气连接同第一种。

第二种中，波导丝两端不受张力不影响超声扭转波的传播，只是在振动工况中检测收到干扰，上端固定保证波导丝不在外壳内上下移动，下端穿过阻尼51可保证无左右移动。

所述的波导丝外壳为直线型测量杆(图4)、平面型测量杆(图5)和立体型测量杆(图6)。

所述的波导丝外壳内设置磁致伸缩波导丝3间隔套有圆环形永磁体6和波导丝绝缘固定套管7，分直线型测量杆(图4)、平面型测量杆(图5)和立体型测量杆(图6)具有不同形状；

直线型测量杆(图4)的波导丝外壳为不锈钢直管，内径为10mm壁厚2mm长1000mm；波导丝3上部穿过检测线圈4在圆柱体元件仓内，顶端固定在圆柱体元件仓内的恒弹力装置5上(绝缘固定，与外壳电气绝缘)，其尾端通过一个阻尼51固定在管状测量杆的底部(绝缘固定，与外壳电气绝缘)；

平面型测量杆(图5)的波导丝外壳材质为圆柱螺旋形波纹结构的不锈钢螺旋管，内径为10mm壁厚3mm，外壳形状为平面涡状线，内切圆半径100mm，螺距50mm，圈数3；波导丝3上部穿过检测线圈4在圆柱体元件仓内，两头端部穿过阻尼51后两端自由伸长不固定，不设置恒弹力装置5；

立体型测量杆(图6)的波导丝外壳材质为圆柱螺旋形波纹结构的不锈钢螺旋管，内径为10mm壁厚3mm，外壳形状为圆柱螺旋线，其螺线半径100mm，螺距50mm，圈数3；波导丝3上部穿过检测线圈4在圆柱体元件仓内，两头端部穿过阻尼51后两端自由伸长不固定，不设置恒弹力装置5；

所述的变送器2，内部固定有脉冲发生电路9和控制采样模块8，上部通过电缆12与测量杆1相连，下部为由外部引入脉冲发生电路9的220V电源线21，以及由控制采样模块8引出至外部输出位移信号的信号线22；

所述的磁致伸缩波导丝3，安装于测量杆1内，为丝状Fe-Ga或Fe-Co材料，直径为0.5mm。直线型测量杆中波导丝3两端穿过阻尼51后两端固定于管状测量杆1内，波导丝3受到恒弹力装置5切向应力并以1Mpa的拉应力两端张紧；环型及螺旋型测量杆中波导丝3两端穿过阻尼51后两端自由伸长不固定，不设置恒弹力装置5。位于测量杆1的圆柱体元件仓部分的波导丝套入检测线圈4作为扭转弹性波的接收器。

所述的检测线圈4，使用线径0.2mm(导线标称直径0.2mm，导线标称截面积0.03142mm²，最大外径0.239mm)漆包线绕制，绕制成空心圆柱体，绕制600匝，成品内径4mm，外径8mm，长15mm，套入波导丝3上端，位于测量杆1圆柱体元件仓内，内接受弹性扭转波信号。通过控制采样模块8计算脉冲发生到接收扭转波信号的时间间隔。

所述的圆环形永磁体6，提供偏置磁场。永磁体内径为5mm，外径为8mm，厚度为3mm的钐钴YX28，居里温度800℃，内侧做绝缘处理(无机高温电绝缘涂层，本发明使用的具体为河北志盛威华特种涂料有限公司的ZS-1071耐高温无机粘合剂，涂层厚度小于0.1mm)。可根据需求配置使用数量和位置：本实例方案使用两个永磁体作为一个测量区间，设置测量区间约为50mm，波导丝3轴向位置上设置两个盲区，检测线圈4与波导丝3轴向距离最近的圆环形永磁体6距离为40mm，测量杆1底端与波导丝3轴向距离最近的圆环形永磁体6最小距离为90mm。

所述的波导丝绝缘固定套管7，套装在波导丝3上，材质为氧化铝陶瓷管内径为5mm，外径为8mm，根据测温区间约为50mm，波导丝绝缘固定套管7长度在直线型测量杆中为50mm，在平面型测量杆及立体型测量杆中设置5段且每段长度为10mm(如图7所示)；波导丝绝缘固定套管7与圆环形永磁体6同轴相邻放置，设置在两个圆环形永磁体6之间，由于其热膨胀率小可忽略不计，被用作固定两个圆环形永磁体6的相对位置，其长度即为一个测温区间的长度，且可作为波导丝3与测量杆1外壳的绝缘，减小与外壳的扭转摩擦。

阻尼51为介孔二氧化硅气凝胶，直径和长度均为5mm的实心圆柱体，其嵌套在波导丝两端，尼波导丝扭转振动，阻尼51不与测量杆1外壳固定。

波导丝可根据使用时测量不同空间位置温度的需求，形状不限于直线形状，也可以将波导丝在靠近检测线圈的第一个永磁体后，弯曲为曲率半径不小于其直径的10倍的任意空间曲线形状，例如平面螺旋形和空间螺旋形，使用非直线型结构，两端不张紧且不使用恒弹力装置，测量杆外壳随波导丝形状变化，输出信号略有降低但不影响信号检测；图6a和图6b中所示为圆柱螺旋线管形状的测量杆，测量杆内径10mm。

所述的控制采样模块8，设置于变送器2内，通过电缆12连接检测线圈4。采用为核心芯片基于ASIC或FPGA的TDC及其外设电路(本设计采用ALTERA公司的CycloneⅣ系列FPGA芯片EP4CE22E22C8N和德国ACAM公司的高分辨率时间数字转换芯片TDC-GP22)，将检测线圈4输出的信号通过差分放大和滞回比较转换为可计时的脉冲信号，通过时间数字转换器TDC测量时间间隔，由已知的测温区间内磁环位置差和预置的波导丝声速v-温度T曲线(T＝7595.65142-2.80157*v)，得出结果温度T＝7595.65142-2.80157*s/t，通过信号线22传出，支持常规的数字模拟信号输出，包括：RS485、RS232、电流4mA～20mA。

所述的脉冲发生电路9，设置于变送器2内，通过电缆12中另外的电线连接波导丝3两端；它通过220V电源线21供电，由AC-DC开关电源电路提供直流电源(本发明使用电路拓扑采用单端反激电路，也可采用全桥LLC等开关电源拓扑)，通过FPGA产生窄脉冲信号，经过芯片6N137进行隔离后，通过驱动MOSFET芯片IRF740通断的控制，输出脉冲激励。产生幅值30V，频率1800Hz，脉宽7微秒的方形脉冲波，加在波导丝3两端，产生周向磁场。

其中电气连接为测量杆1内的磁致伸缩波导丝3两端通过电缆12与变送器2内的脉冲发生电路9相连，测量杆1内的检测线圈4两端通过电缆12与变送器2内的控制采样模块8相连；变送器2内的脉冲发生电路9与控制采样模块8多条排线相连，向其供应DC5V和12V电源和接受其控制信号。

由于与位移传感器的测量物理量不同，本设计提出了“为贴近测温场波导丝在测温区间内弯曲为曲率半径不小于其直径的10倍的任意空间曲线形状(位移传感器波导丝为直线设置)”“规定了检测线圈与测温单元中永磁体以及同一测温单元中两永磁体的最小距离，在使用中永磁体的位置是相对测量杆固定且在测量杆内设置(位移传感器永磁体设置在测量杆外侧随被测物体移动)”等针对温度测量的优化。

实施例1：使用Fe-Ga波导丝和一个永磁体做试验。本实施例主要目的是验证高温下装置信号的可靠性，并计算波导丝在不同温度下的声速。

实验平台搭建：检测线圈距离波导丝顶端100mm，磁环距离检测线圈600mm。使用钐钴作为磁环，放置高温炉内在25℃至500℃内测试，示波器观测检测线圈输出波形。

实验过程与结果：如图8所示，传感器装置由25℃升温至500℃，检测到的电压信号随温度升高逐渐减小，最大129.3mV，最小21.5mV，明显区别于白噪声，易于使用电路检测。根据检测线圈到永磁体距离和测得的时间，计算不同温度下扭转波波速的拟合曲线，如图9所示。

实施例2：使用图2所示装置，验证温度传感器测量温度的准确性。

实验平台搭建：检测线圈距离波导丝顶端10cm，两永磁体距离差80mm。将传感器放置高温炉内在25℃至500℃内测试。

实验过程与结果：如图10所示，得到测量杆检测线圈输出电压曲线，第一个波峰为感应到的脉冲发生电路产生的激励脉冲，第二第三个波峰分别为一段测量区间内的两个永磁体位置处产生的扭转波，通过控制采样模块对时间间隔测量得到第二和第三个波峰之间的时间差，由于两永磁体距离差已知，可得测量温度曲线，如图11所示。

本发明测量中涉及的协议或软件均为公知技术。

通过以上实施例可以看到，本发明通过Fe-Ga、Fe-Co波导丝，拓宽了磁致伸缩材料在高温下的应用范围，并发现了扭转波传播速度较慢和T(0,1)模态的非弥散性，从而提高了装置测量的灵敏度。测量两个永磁体位置产生的超声波飞行时间，飞行时间差被用来确定波导丝材料的平均扭转波声速，从而感知周围介质在两个永磁体之间区域的温度。这是一种多位置传感，更可靠，可应用于高温、高压、封闭环境以及强震动等复杂恶劣工况下的大范围温度和温度梯度测量，以及可根据需求重新配置测温区间的温度传感器。

本装置的机理为：基于近年来超声检测技术的发展，结合高温磁致伸缩材料而发明的新型测温装置和方法。利用Fe-Ga、Fe-Co磁致伸缩材料魏德曼效应在测温区间内永磁体位置振动主动产生超声波声速来检测温度。相比已有的脉冲反射法测温结构，重新设计传感器结构以发挥新型高温磁致伸缩材料输出信号强易检测可靠性高的优点，提出如下改进：圆环形永磁体、检测线圈代替刻伤节点和超声换能器作为超声波的发生和接收装置，圆环形永磁体、检测线圈不与波导丝直接接触，仅固定永磁体与检测线圈相对位置不变化，不受振动影响无易损连接点。

为丰富本设计应用场景，提出如下改进：以两个圆环形永磁体作为一个测温区间的基本结构单元，可根据需求通过改变永磁体相对位置的方法，灵活配置测温区域；波导丝形状不限于直线形状，可根据使用时测量不同空间位置温度的需求，在测温区间内弯曲为曲率半径不小于其直径的10倍的任意空间曲线形状；基于本设计较强的输出信号，可通过连接电缆在远程控制端设置变送器，进一步提高可靠性和可维护性等。

实施例3：使用Fe-Ga波导丝和一个永磁体做试验，测量杆的形状为平面型时，n＝1,m＝5。本实施例主要目的是验证高温下装置信号的可靠性，并计算波导丝在不同温度下的声速。

实验平台搭建：其他步骤同实施例1，示波器观测检测线圈输出波形。

实验过程与结果：传感器装置由25℃升温至500℃，检测到的电压信号随温度升高逐渐减小，最大90.6mV，最小13.1mV。

实施例4：使用Fe-Ga波导丝和一个永磁体做试验，测量杆的形状为立体型时，n＝1,m＝5。本实施例主要目的是验证高温下装置信号的可靠性，并计算波导丝在不同温度下的声速。

实验平台搭建：其他步骤同实施例1，示波器观测检测线圈输出波形。

实验过程与结果：传感器装置由25℃升温至500℃，检测到的电压信号随温度升高逐渐减小，最大91.3mV，最小13.9mV。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (5)

1.一种绝对式超声波磁致伸缩温度传感器，其特征为该传感器的组成包括：测量杆、变送器、磁致伸缩波导丝、检测线圈、圆环形永磁体、波导丝绝缘固定套管、控制采样模块、脉冲发生电路和电缆；

所述的变送器内部固定有脉冲发生电路和控制采样模块，上部通过电缆与测量杆相连，下部为引出的220V电源线和信号线；

所述的测量杆的上部为圆柱体元件仓，下部为波导丝外壳；

所述的波导丝外壳为直线型测量杆、平面型测量杆或立体型测量杆；

所述的圆柱体元件仓的内部组成，为以下两种之一：

第一种，当所述的波导丝外壳为直线型测量杆时，

所述的圆柱体元件仓内安装有检测线圈和恒弹力装置；

所述的恒弹力装置包括底座、简支梁弹片和一个阻尼(第一阻尼)；底座固定在圆柱体元件仓的内壁上，为竖直的“倒L”型结构，其竖板顶部为向右侧凸出的横板；竖板右侧的下壁架设有简支梁弹片，第一阻尼贴合在简支梁弹片上，底座的横板的下表面固定有波导丝的顶端，波导丝的下部依次穿过阻尼、检测线圈和圆柱体元件仓的下部，末端经过另一个阻尼(第二阻尼)，固定在波导丝外壳的底端；其中，波导丝穿过第一阻尼和检测线圈的部分为垂直状态，波导丝的顶端到第一阻尼的波导丝的部分与竖直方向呈15～25°夹角；

或者，为第二种，

所述的圆柱体元件仓内安装有检测线圈；检测线圈安装在元件仓的轴线处，波导丝上端绝缘固定在元件仓外壳内壁的顶端，波导丝的下部依次穿过阻尼、检测线圈和圆柱体元件仓的下部；

所述的波导丝在圆柱体元件仓以下的部分，从上到下，依次套有n个区间测温单元，一个圆环形永磁体(末端圆环形永磁体)，末端为第二阻尼，n＝1～10；每个区间测温单元，从上到下，依次为一个圆环形永磁体(区间圆环形永磁体)和m个导丝绝缘固定套管，m＝1～5；其中，圆环形永磁和波导丝绝缘固定套管的直径相同；相邻之间的导丝绝缘固定套管的间距为0.2～1.0mm；

所述的圆柱体元件仓顶部经电缆连接器引出电缆与变送器相连；其下部中心设有螺纹；底部外侧还设置有螺纹法兰；

其中，电气连接为：测量杆内的磁致伸缩波导丝两端分别通过电缆与变送器内的脉冲发生电路相连，测量杆内的检测线圈两端分别通过电缆与变送器内的控制采样模块相连；变送器内的脉冲发生电路与控制采样模块相连。

2.如权利要求1所述的绝对式超声波磁致伸缩温度传感器，其特征为所有的圆环形永磁体长度相同，为2～5mm；不同的区间测温单元中的导丝绝缘固定套管的长度相同或不同，长度范围为5～100mm。

3.如权利要求1所述的绝对式超声波磁致伸缩温度传感器，其特征为所述的直线型测量杆的波导丝外壳为不锈钢直管；

所述的平面型测量杆的波导丝外壳螺旋形波纹结构的不锈钢螺旋管，外壳形状为平面涡状线；

所述的立体型测量杆的波导丝外壳为圆柱螺旋形波纹结构的不锈钢螺旋管，外壳形状为圆柱螺旋线。

4.如权利要求1所述的绝对式超声波磁致伸缩温度传感器，其特征为所述的检测线圈为漆包线绕制的空心圆柱体，绕制300～1500匝。

5.如权利要求1所述的绝对式超声波磁致伸缩温度传感器，其特征为所述的磁致伸缩波导丝为丝状Fe-Ga或Fe-Co材料；

所述的圆环形永磁体材质为钐钴YX28，内侧绝缘；

所述的波导丝绝缘固定套管7材质为氧化铝陶瓷管；

所述的阻尼为介孔二氧化硅气凝胶。

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