超声导波测温关键技术研究与实现

发布时间：2020-08-08 21:28

【摘要】：在工业生产、国防和航空航天等领域,对恶劣环境下高温场温度的测量是解决众多难题的基础难题。目前使用较多的测温方法有热电偶测温法和辐射测温法,但这两种测温方法都具有一定的局限性。热电偶测温时易受到响应速度、热电偶材料特殊性等方面的制约,测温上限不高。辐射测温法在理论上无测温上限,但受物体发射率、测量距离、烟气、雾气等因素的影响,测量误差较大。超声导波测温是一种利用接触测温方法来进行温度测量的新技术,具有测量范围广、灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等诸多优势。本论文在课题前期研究基础上总结出超声导波测温四个关键技术,并针对四个关键技术设计超声导波测温系统,可实现对高温快速、准确测量。超声导波测温需要重点考虑的四个关键技术:一是优化超声波发射电路,提高超声波发射能量;二是用硬件电路实现回波信号带通滤波;三是高速度、高精度双通道数字采集系统设计;四是从超声回波信号中解耦温度信息。论文以超声导波测温原理为基础,从四个关键技术入手,针对钨铼合金丝波导测温传感器,对超声导波测温系统进行设计,包括硬件系统和测温软件设计。硬件系统包括超声波发射电路、带通滤波电路、增益调整电路和双通道数字采集系统。双通道数字采集系统以FPGA为核心,包括两路A/D转换电路、四路D/A转换电路、FIFO存储模块和USB模块。测温软件以LabVIEW作为开发平台,可实现测温参数设置、命令控制、超声回波显示、数据存储、测温算法实现和测温结果显示等功能。最后,对超声导波测温算法进行研究,重点研究温度信息解耦算法,采用互相关法获取超声波时延值。以本论文设计的超声导波测温系统对钨铼合金丝波导测温传感器进行标定实验,并获得温度与时延值关系。通过实验测量,本论文所设计的超声导波测温系统实现了论文中提出的四个关键技术,能够完成对高温快速、准确测量。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH811
【图文】：

示意图,波导杆,圆柱型,示意图

中北大学学位论文第 2 章超声导波测温原理及方案波导杆中传播的超声波波导杆的直径相对于超声波波长较小，超声波在其中传播时，由于受其边界成超声导波，用于测温[37]。因此需要对超声波在波导杆中的传播特性进行分是一种固体弹性介质，其材料均匀，各向同性，且几何长度远大于超声波波在波导杆中以两种形式存在，即横波和纵波，且这两种形式的超声波相互独各自的特征速度传播而不会发生波形耦合。如图 2.1 所示，设材料均匀，各向同性的圆柱形波导杆的半径为r ，其中心轴重合。

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自的特征速度传播而不会发生波形耦合。图 2.1 所示，设材料均匀，各向同性的圆柱形波导杆的半径为r ，其中合。图 2.1 圆柱型波导杆示意图图 2.1 所示的圆柱型波导杆中，超声波在其中传播，会形成纵向模态模态等三种不同模态。其中纵向模态和扭转模态是轴对称的，弯曲模]。将三种模态的超声导波分别记为 L ( 0,m)， T ( 0,m)和 F ( n,m)，波导频散曲线如图 2.2 所示：

频散曲线,波导杆,导波,频散曲线

模态导波由轴向位移分量和径向位移分量组成。其条件为 0 u ， r a处满足边界条件 0rrrz ，则对波动方程求解可以得到纵程[38]： 4010201221J a kJ aJ a k J aJ a ：2222kcL 、2222kcT ，为导波频率，k 为波数，J 为 (2.1)中和k 的超越方程求解，可以得出图 2.3 所示的波导杆中纵。其中，当超声导波频率大于 1.25MHz，纵向导波模态不唯一，即个纵向导波模态。由于不同模态导波的频散特性、群速度、相速度分布等特性存在差异[38]，因此应尽量选择具有单一模态的频率作为

【参考文献】