[发明专利]一种基于磁致伸缩扭转波的Ni-Cr合金温度传感器

说明书

本发明为一种基于磁致伸缩扭转波的Ni‑Cr合金温度传感器。该传感器包括圆筒状的壳体、测量杆、Fe‑Ga丝、铬镍合金丝、脉冲信号发生模块、控制采样模块、陶瓷套管、阻尼、永磁体、和检测线圈；所述的测量杆右端封闭，铬镍合金丝的一端固定在测量杆的右端内壁中心，另一端穿过测量杆，进入壳体，在陶瓷套管内的右部，与Fe‑Ga丝的右端相连，Fe‑Ga丝的左端通过陶瓷套管内部并穿过阻尼，固定在壳体的左端内壁的中心；所述的测量杆外形为直线测量杆和平面圆盘状测量杆。本发明可以有效减少超声测温中高压，高频，振动带来的噪声信号影响。

技术领域

本发明将磁致伸缩材料与敏感元件材料相结合，应用于温度传感器领域，主要涉及发生磁致伸缩效应的Fe-Ga丝状材料和作为敏感元件材料的镍铬合金丝，可应用于温度的测量，实现对温度的实时监测。

背景技术

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、热电阻和非接触式测温存在许多问题，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；非接触测温法包括各种光学测温法和辐射高温计，例如红外测温，光纤黑体腔测温等技术，其测温元件不需要和被测介质接触，不影响燃烧时温度场，但推进剂燃烧时产生的烟雾一方面污染光电探测器，另一方面测试环境对发射率有一定影响，导致测温数据与理论计算的相差甚大；辐射高温计虽然可以与高温区域保持较远距离，理论上没有测温上限，但是由于目标体系辐射率难以确定，测量精度受发射率、成分、浓度、环境场影响较大，不确定因素较多，因此测试数据可信度较低。但是在一些工业应用中必须长时间监控高温及超高温环境下的温度，例如在军工领域内弹药爆炸、核实验、航天发动机运行中，能源领域内核能压水堆、柴油机和汽轮机等发动机缸内增压器及再热器中，石油、化工等领域内反应器等大型设备内以及其他材料合成和过程监控中温度的测量等，不可避免会有长时间超高温度原位测试需求位置的高温流体温度测量。此外，热电偶中在高温和强振动环境中连接点的失效也造成很高的成本，特别是使用补偿导线等装置时。

随着现代工业化的不断发展，导波测温技术在工业中应用日益广泛，其中对导波信号质量的要求日渐提高。导波测温主要有基于超声波和低频声波这两种方法，超声波的指向性好，但是衰减迅速，多用于短距离测温；低频声波可以传播更远的距离，已经用于室内温度、炉膛火焰温度和湖水温度的测量，使用低频声波测量空气温度的研究主要集中在二维层析成像研究，单路径的测温精度有待提高。低频声波测温主要的问题是采样频率太低导致时间分辨率太低，无法检测温度引起的声波传播时间变化；直接将两个传声器间测量距离当作实际声波传播路径长度以及忽略系统本身的时延，导致声速测量不准确。在超声测温传感器方面，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。脉冲反射法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。传统敏感元件材料如钍钨合金、钨铼合金、蓝宝石、不锈钢作为波导杆的劣势主要体现在：(1)除少数昂贵材料以外，大部分波导杆材料在800℃以上高温下易氧化；(2)数据处理和结果显示设备复杂且成本高；(3)依赖超声换能器，而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；(4)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和刻蚀处发生多次反射，导致在波导杆内发生几何弥散和复杂干涉现象，对信号处理造成了很大难度；(5)超声波频率越高，越容易衰减，不利于扩大量程。而以磁致伸缩材料直接作为敏感元件材料，劣势主要体现在(1)受限于磁致伸缩材料的居里温度只有980℃，限制了测温范围；(2)在超过600℃情况下，信号衰减严重且信噪比变得极差，使得磁致伸缩材料作为波导杆，测量范围只有室温—600℃；(3)磁致伸缩材料受热膨胀严重，造成实际误差明显。