阅读说明：本技术 基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置 (Sapphire optical fiber temperature measuring device based on ultrasonic principle ) 是由 王高 张猛 魏艳龙 吕建刚 周汉昌 王仲杰 李盘文 李铁林 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置,包括蓝宝石光纤超声传感器、超声脉冲检测器、电脑数据采集系统构成,蓝宝石光纤超声传感器与超声脉冲检测器的激励端连接,蓝宝石光纤超声传感器包括蓝宝石光纤传播杆,蓝宝石光纤传播杆的敏感区上间隔设有至少一个径向凹槽,蓝宝石光纤传播杆的敏感区用于温度测量,超声脉冲检测器的数据端与电脑数据采集系统连接。本案运用超声脉冲测温技术通过测量超声波在敏感材料中的延时数据得到声速来推算温度值,即选取从凹槽以及端面处反射回来的信号波形,通过计算波形之间的延时数据就可以获得在此温度下的声速值,得到不同温度值下的延时数据图,从而获得超声传播速度随温度的变化曲线。(The invention discloses a sapphire optical fiber temperature measuring device based on an ultrasonic principle, which comprises a sapphire optical fiber ultrasonic sensor, an ultrasonic pulse detector and a computer data acquisition system, wherein the sapphire optical fiber ultrasonic sensor is connected with an excitation end of the ultrasonic pulse detector, the sapphire optical fiber ultrasonic sensor comprises a sapphire optical fiber transmission rod, at least one radial groove is arranged on a sensitive area of the sapphire optical fiber transmission rod at intervals, the sensitive area of the sapphire optical fiber transmission rod is used for measuring temperature, and a data end of the ultrasonic pulse detector is connected with the computer data acquisition system. The temperature value is calculated by measuring the delay data of ultrasonic waves in the sensitive material by using an ultrasonic pulse temperature measurement technology to obtain the sound velocity, namely, the signal waveforms reflected from the grooves and the end faces are selected, the sound velocity value at the temperature can be obtained by calculating the delay data among the waveforms, and delay data graphs at different temperature values are obtained, so that the change curve of the ultrasonic propagation velocity along with the temperature is obtained.)

基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置

技术领域

本发明涉及液态高温测温领域，特别涉及基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置。

背景技术

随着制造行业技术的不断革新，许多液态高温环境需要进行温度精确测试。例如冶金工业中熔融铝液、铁水、钢水的温度测试，电磁场环境中等离子体测温等，特别是铝合金冶炼技术在制造业的地位越来越突出，而熔融铝液的温度直接影响着铝铸件的质量性能好坏。因此，需要对冶炼过程长时间不同位置的温度监测。由于铝液具有高温腐蚀性，能够与绝大多数金属发生反应。目前，常用来测量熔融铝液温度的方法有k型铠装热电偶以及便捷式手持红外测温仪。

(1)k型铠装热电偶进行间断式测温：将热电极与绝缘材料置于保护的金属管中压制而成。在测量时，将前端浸入铝液中进行测温读数。虽然此方法相对简单，但因高温铝液强腐蚀、易积渣等特性，很容易使得保护的金属管损坏，导致测量结果不准确，同时也会导致铝液的二次污染，不能保证生产的产品质量。

(2)手持便捷式红外铝液测温仪：由放大系统、显示系统、电路系统及光学系统等组成。主要通过接收物体向外发射的红外线辐射能量，并将其转变成相应的电信号，以确定物体温度。此方法采用非接触测量且方法简单，但其测量的误差较大，无法准确获得内部铝液的温度值。

其中，铠装热电偶只能进行短暂的内部温度点式测量，分布温度需要布设多个测试点。手持红外测温仪主要是利用红外测温技术对铝液表面的热辐射能量进行采集，无法进行内部温度测试，二者测量的结果都存在较大误差。同时在实时监测铝液的温度，还必须考虑到铝液的高温强腐蚀性。因为铝液几乎能与所有金属及其氧化物发生反应。

因此，需要迫切需要设计出一种测量精度高且不会对铝液造成二次污染的新型温度传感器，而且能够准确测的铝液内部的温度分布梯度，以便通过铸造获得更高质量性能的铝合金材料。

发明内容

本发明的目的在于提供基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置，该测温装置能够准确测的液态金属内部的温度，且不会对液态金属造成二次污染。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置，包括蓝宝石光纤超声传感器、超声脉冲检测器、电脑数据采集系统构成，蓝宝石光纤超声传感器与超声脉冲检测器的激励端连接，蓝宝石光纤超声传感器包括蓝宝石光纤传播杆，蓝宝石光纤传播杆的敏感区上间隔设有至少一个径向凹槽，蓝宝石光纤传播杆的敏感区用于温度测量，超声脉冲检测器的数据端与电脑数据采集系统连接。

进一步，所述的超声脉冲检测仪的电信号经过换能器将电信号转化成超声信号，由激励端传入蓝宝石光纤传播杆进行传播，在凹槽处以及端面反射回激励端，再将超声信号转化成电信号通过数据端送入电脑数据采集系统进行后续信号的解析。

进一步，所述的信号的解析是电脑数据采集系统通过计算不同温度下径向凹槽处产生的回波信号与蓝宝石光纤传播杆的端面反射信号之间的延时数据，计算出声速值，计算得到不同温度值下的延时数据图，从而获得速度随温度的变化曲线。

进一步，所述的径向凹槽为两个以上，构成多分布测温点。

进一步，所述的测温敏感区的径向凹槽位置到蓝宝石光纤传播杆端面之间的距离称为反射间距，在选择反射间距长度时，应满足如下关系式：

式中：ΔL—反射间距；t₁—超声脉冲激励时间；v(T)—超声波波速；Δt—时差。

本案运用超声脉冲测温技术通过测量超声波在敏感材料中的延时数据得到声速来推算温度值，即选取从凹槽以及端面处反射回来的信号波形，通过计算波形之间的延时数据就可以获得在此温度下的声速值，得到不同温度值下的延时数据图，从而获得超声传播速度随温度的变化曲线。

附图说明

图1为本发明的入射波与反射波和透射波的关系图；

图2为本发明的蓝宝石光纤波导杆示意图；

图3为本发明的蓝宝石光纤多分布超声传感器声波传播示意图；

图4为本发明的基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置；

图5为本发明的基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置的熔融铝液实验室静态标定测温系统；

图6为本发明的基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置常温到1600℃的延时数据波形图；

图7本发明的蓝宝石光纤传播杆的凹槽一、凹槽二的延时数据与温度的关系曲线；

图8本发明的蓝宝石光纤传播杆的凹槽一、凹槽二的温度与声速的关系曲线；

图9本发明的蓝宝石光纤温度传感器***到熔融铝液中进行过程一测量的温度随时间变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

超声测温技术是通过测试超声在液体中传播速度来得到温度信息，这种超声传感器材料必须具备良好的导热性以及传声性，能够与测温液体快速达到热平衡。我们称这种材料为测温敏感材料，通常选用一些金属丝、金属棒、单晶材料等。本案结合熔融铝液的高温腐蚀特性选用氧化铝单晶拉制而成的蓝宝石光纤作为敏感材料。

如图4所示，本发明依据超声测温原理设计了一种基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置，包括蓝宝石光纤超声传感器1、超声脉冲检测器2、电脑数据采集系统3构成，蓝宝石光纤超声传感器1与超声脉冲检测器2的激励端 21连接，蓝宝石光纤超声传感器1包括蓝宝石光纤传播杆11，蓝宝石光纤传播杆11的敏感区上间隔设有至少一个径向凹槽12，蓝宝石光纤传播杆11的敏感区用于温度测量，超声脉冲检测器2的数据端22与电脑数据采集系统3连接。

本案的工作原理是，如图1、4所示，所述的超声脉冲检测仪2的电信号经过换能器(图未视出)将电信号转化成声信号，由激励端21传入蓝宝石光纤传播杆11进行传播，在凹槽12处以及端面13反射回激励端21，再将声信号转化成电信号通过数据端22送入电脑数据采集系统3进行后续信号的解析；所述的信号的解析是电脑数据采集系统3通过计算不同温度下与径向凹槽12 处产生的回波信号与蓝宝石光纤传播杆11的端面13反射信号之间的延时数据，计算出声速值，计算得到不同温度值下的延时数据图，从而获得速度随温度的变化曲线。

如图2、3、4所示，所述的径向凹槽为两个，分别为凹槽一121，凹槽二122，构成多分布测温点，所述的超声脉冲检测仪2的电信号经过换能器(图未视出)将电信号转化成声信号41，由激励端21传入蓝宝石光纤传播杆11进行传播，在凹槽二122处产生凹槽二反射波43，在凹槽一121处产生凹槽一反射波42，以及端面13产生端面反射波44，凹槽一反射波42、凹槽二反射波 43、以及端面反射波44通过蓝宝石光纤传播杆11反射回激励端21，超声脉冲检测仪2再将声信号转化成电信号通过数据端22送入电脑数据采集系统3 进行后续信号的解析。所述的信号的解析是电脑数据采集系统3通过计算不同温度下与凹槽二122、凹槽一121产生的回波信号凹槽二反射波43、凹槽一反射波42与蓝宝石光纤传播杆11的端面13反射信号端面反射波44之间的延时数据，计算出声速值，计算得到不同温度值下的延时数据图，从而获得多分布测温点速度随温度的变化曲线，使得更为有利于温度测量分析。

如图3所示，所述的测温敏感区的径向凹槽位置到蓝宝石光纤传播杆的端面之间的距离称为反射间距，凹槽二122与凹槽一121之间的距离称为反射间距ΔL¹,凹槽一121与端面11之间的距离称为反射间距ΔL²,反射间距尺寸大小对于超声测温具有重要的影响：反射间距选择太大，通过凹槽二122和凹槽一121以及端面11反射后的波形之间延时数据太大。虽然有利于分析，但是测温敏感区节长度增加，由于蓝宝石光纤超声传感器测的温度是敏感区节长度的平均值温度，越长的测温区节导致测温精度降低，无法进行温度梯度的识别；另一方面，反射间距选择太小时，通过凹槽二122和凹槽一121以及端面11反射后的波形以及二次回波会叠加到一起，无法进行准确的辨认，给分析数据带来极大困扰。因此，结合以上说明，在选择反射间距长度时，应满足如下关系式：

式中：ΔL—反射间距；t₁—超声脉冲激励时间；v(T)—超声波波速；Δt—时差。

本案蓝宝石光纤传播杆由氧化铝(Al₂O₃)单晶拉制而成，具有结构稳定、熔点高(2053℃)、导热性能好等特点。所以采用基于超声原理的蓝宝石光纤测温装置来测量液态金属中温度，先对蓝宝石光纤测温装置进行实验室静态标定，获得从常温到高温下不同温度的蓝宝石光纤传播杆的声速值，再进行实际场合下的高温熔融液态金属实时测量。

如用超声原理的蓝宝石光纤测温装置来测量液态金属中温度，由氧化铝 (Al₂O₃)制成的蓝宝石光纤传播杆与熔融铝液不发生任何反应，对于设计好的蓝宝石光纤温度传感器在测量铝液温度之前，需要对其进行静态标定实验，检验传感器波形幅值、延时数据、结构性能稳定性等。

如图2、3、4、5所示，本案实验室标定获得常温到1600℃的实验标定数据，采用的是1600℃高温电阻炉5进行数据标定，在炉内采用双排硅钼棒进行加热，周围用高温耐火砖隔热形成一个100×100×100mm的温区，在加热时间过程设置为在整数温度点保持5分钟，所以内部的温区可以近似看成一个恒定温场。将蓝宝石光纤温度传感器1的蓝宝石光纤传播杆11与标准铂铑热电偶一起放入恒定温场中，每当热电偶变化100℃时进行一次数据的采集记录。当蓝宝石光纤传播杆11的凹槽二122和凹槽一121距离端面的距离一定的时候，光纤温度传感器自身的热膨胀影响几乎可以忽略不计，采集不同温度下的凹槽二122和凹槽一121反射回来的波形，可以凹槽二122与凹槽一121、凹槽一121与端面13之间的延时数据与当前状态下的温度值具有一定的关系。通过对延时数据标定，获得常温—1600℃(高温)的延时数据图(如图6所示)，通过计算得到温度和延时数据的关系曲线(如图7所示)，根据图7中不同温度下的延时数据，依据v＝2l/t，可以计算得到温度与声速的关系曲线(如图8所示)。

如图8所示，利用高温电阻炉进行标定，认为内部温度场是均匀恒定的，即在100×100×100mm的温区内通过蓝宝石光纤温度传感器获得的凹槽一与凹槽二的温度数据是一样的，温度和声速的曲线应该基本重合。因此，通过静态标定实验得到的温度与声速的关系图与理论计算数据基本吻合，同时也验证了蓝宝石光纤温度传感器测量温度的可行性。

最后用标定好的蓝宝石光纤温度传感器对熔融铝液进行了实时测温，并对结果进行了分析。

在实际测温过程中，需要将蓝宝石光纤温度传感器的蓝宝石光纤传播杆***到熔融铝液中进行测量，而铝处于熔融状态的最低温度在640℃左右，本案中采用的铝合金电阻炉的最高上限温度可以达到740℃，其温度变化过程不大。在实际测温过程中进行两个过程的温度测试。过程一：蓝宝石光纤传播杆***最低熔融状态下铝液中达到热平衡，对数据进行连续采集，获得蓝宝石光纤温度传感器的时间响应速度曲线；此外还进行了该状态下的多次单点测试温度值；过程二：通过控制柜将温度值设置到上限阈值，对熔融铝液的升温过程进行连续采集，此过程由于是通过炉壁—空气—干锅热交换的方式进行升温，升温过程较缓慢，需要进行长时间的连续数据采集获得温度随时间的升温曲线，并对最高温度值状态下的铝液进行了多次单点测温。

按照上述测温过程一进行铝液温度测量后，对数据结果进行解析分析，获得如图9所示的温度随时间变化曲线，根据图9温度与时间的变化曲线可以得出，当蓝宝石光纤传播杆***铝液后，温度迅速开始上升，经过43.8s以后，蓝宝石光纤温度传感器温度值第一次达到最大峰值635℃，然后随着时间的进一步增长，温度值基本保持水平波动。此外，从图9温度上升曲线还可以得出蓝宝石光纤温度传感器在***熔融金属铝液后43.8s达到热平衡状态。

由于熔融铝液是通过热交换方式进行热量的传递，根据图9实验测的数据看出，凹槽一和凹槽二两个敏感区节在铝液纵向方向上是有温度梯度差的。其中，凹槽一的位置距离干锅底部较近，进行热平衡后测得的温度值较高一些；凹槽二距离铝液液面较近，温度相对偏低一些，说明了在热交换升温过程中，铝液内部温度分布是不均匀的。

在进行完第一过程之后，再进行第二过程，通过调节控制柜额定温度值， 干锅内熔融铝液的温度随着时间继续上升。经过大约15min后温度值达到 734℃(控制柜温度上限峰值为740℃，继续提高会由于功率过大损坏控制 柜)。而且蓝宝石光纤传播杆在熔融铝液中进行长时间测量后，波形幅值均 未发生变化，测温敏感区光纤表面未见腐蚀痕迹。由此可见，基于超声测温 原理的蓝宝石光纤温度传感器可以作为测量熔融铝液温度的一种新方法。

本案根据超声测温原理设计的蓝宝石光纤温度传感器不仅可以应用在铝液温度测量当中，而且，由于蓝宝石光纤本身具有高熔点(2053℃)、高温抗氧化、抗电磁干扰等特性，可以用于更多场合进行温度测试研究。例如，冶金工业中铁水、钢水的温度测试，电磁场环境中等离子体测温等，在未来具有更广阔的研究价值和意义。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。