磁致伸缩单晶波导超声测温技术研究.pdf

目录

摘要I

ABSTRACTIII

第一章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2超声测温国内外研究现状3

1.2.1国外研究现状3

1.2.2国内研究现状6

1.3研究内容及章节安排9

第二章基本理论及超声测温方案11

2.1磁致伸缩基本理论11

2.2超声导波基本理论16

2.2.1群速度与相速度17

2.2.2模态和频散18

2.3超声测温基本原理21

2.4磁致伸缩单晶波导超声测温方案23

2.5本章小结24

第三章磁致伸缩单晶波导传感器设计25

3.1磁致伸缩换能器设计25

3.1.1磁致伸缩材料的选择25

3.1.2线圈的设计28

3.1.3偏置磁场的COMSOL仿真及设计29

3.2单晶波导材料选择及区截设计33

3.3本章小结34

第四章超声测温系统设计37

4.1整体方案设计37

4.2超声波发射电路38

4.3超声回波接收电路40

4.3.1增益调整电路41

4.3.2带通滤波电路43

4.4数据采集系统44

4.4.1FPGA主控电路45

4.4.2A/D采集模块45

4.4.3FIFO存储模块47

4.4.4D/A转换模块48

4.4.5USB模块49

4.5上位机测温软件50

4.5.1上位机测温软件整体设计方案51

4.5.2USB驱动程序安装51

4.5.3USB固件程序53

4.5.4上位机测温软件设计54

4.5.5软件测试57

4.6本章小结58

第五章测试系统搭建与测温实验59

5.1磁致伸缩单晶波导超声测温传感器59

5.1.1磁致伸缩换能器制作59

5.1.2传感器耦合62

5.1.3电磁屏蔽63

5.2超声导波测温实验测试平台63

5.3测温实验65

5.4本章小结68

第六章总结与展望69

6.1论文工作总结69

6.2研究创新点70

6.3不足及未来展望70

参考文献71

在学期间取得的研究成果……………….77

致谢78

摘要

在航空航天和工业生产等领域，高温恶劣环境下的温度测量不仅是一项技术挑

战，而且密切关系着设备安全和生产质量中存在的问题，为了解决高温恶劣环境下温

度测量的难题，需要采用有效的测温方法。现阶段广泛使用的测温方法主要有热电偶

测温法和辐射测温法，但是二者都存在一定的局限性。热电偶测温法属于点测量，测

温范围较窄，在高温恶劣环境下进行长时间的工作容易导致热电偶的测量精度降低、

传感器断裂等问题。辐射测温法虽然响应速度快，然而由于某些环境因素、被测物体

发射率以及测量距离等问题的影响，在高温环境下进行温度测量时常常面临较大的

测量误差。针对常规测温方法的局限性，提出一种具备测量精度高、响应速度快、抗

干扰能力强以及应用范围广等优点的超声导波测温方法，许多行业考虑将其用于高

温恶劣环境下的温度测量。为此，本文基于磁致伸缩基本理论与超声导波测温原理设

计出一种磁致伸缩单晶波导超声测温方案，针对磁致伸缩单晶波导超声测温技术展

开研究。

本文从磁致伸缩换能器的设计、材料的选择、系统的搭建等方面做了具体的研

究，创新点在于设计了新型的传感器结构，将具有高磁致伸缩系数的铁镓合金材料与

单晶氧化物相耦合制作磁致伸缩单晶波导超声测温传感器，实现了两种不同材料相

结合的创新性测温方法，达到了可以将磁致伸缩式超声换能器用于高温环境下