单晶氧化物智能超声波导测温技术探讨

本论文通过对互相关算法中参考波选取的困难性提出创新，改变传统寻找端面波幅值最高的方式，通过YOLOv5网络模型智能识别超声波传输过程中的特征信号。

第一章  绪论

1.2 国外研究现状

超声测温技术从原理发现到工业化应用，历经300多年，最早英国皇家科学院的物理学家牛顿确定了声速与温度的关系。1873年，Mayer对高温气体进行声速测量，得到了声速与气体温度的平方根成正比的结论[7]。

上世纪六七十年代美国rth利用瞬时接触法在高温下超声波测量弹性模量[8]，并用超声波测温测量核反应堆堆芯的温度[9]。之后开始尝试将超声脉冲技术应用到超声测温中[10]，并在固、液、气介质中进行温度测试[11]，1982年利用多区截超声波导进行温度分析[12]，同期英国博士成功研制了声波谐振频率与温度关系的超声温度计[13]。

1992年美国科学家s在高温环境下使用单晶钨材料测温实现超声回波信号稳定接收，减小信号衰减，测量温度范围高达3000K[14]。

2002年韩国原子能研究所Kil-MO Koo通过超声测温方法对核能发电厂的核燃料堆芯温度进行测量，测量温度值为2200℃[15]。

2004年美国内华达大学John A. Kleppe教授发表了非接触式超声测试高压燃烧器内部温场的论文，实验成功测得高压燃烧器内温场分布，当燃烧器内燃料、空气比为0.9时，测得峰值温度约为1500℃[16]。

2010年由美国能源部、欧盟联合研究中心、美国爱达荷国家实验室[18]、法国计量与测试国家重点实验室[19]等联合开展的核燃料堆芯设计研究中，进行了大量的超声测温实验工作。

第三章  超声测温系统设计

3.1 整体方案

本论文中单晶氧化物超声测温系统整体方案如图3.1所示，主要分为单晶氧化物超声导波测温传感器、超声测温系统两部分。图中蓝色箭头为控制以及配置参数信号，红色箭头为超声信号。

超声测温系统主要完成对超声信号激发，超声信号数据的采集、处理和显示。系统的主要工作过程为：上位机测温软件通过USB模块向FPGA主控电路发送控制使能信号；FPGA主控电路接收到控制使能信号后，激发脉冲信号，并发送给超声发射电路；该电路将窄脉冲信号转变成高压窄脉冲信号，用于激发超声换能器工作，使波导杆产生超声信号；传播过程中在区截和末端产生节点波和端面波，并反射回超声换能器，经增益调整放大、带通滤波后，由数据采集系统采集通过USB上传至上位机，对数据进行存储和显示，通过测温算法解耦温度信息。

第五章  超声测温测试系统搭建与数据分析

5.1 超声测温传感器

超声测温传感器由单晶氧化物波导杆、超声探头、装配器、聚能器构成，装配器将聚能器固定在波导杆一段，通过粘合剂耦合在一起，超声探头表面涂抹油性耦合剂填充超声探头和波导杆之间接触面的缝隙，使其超声探头和波导杆成为一体，作为超声信号的发射器和接收器。在搭建超声测温传感器时，需要不断调整位置和耦合剂用量，测试超声回波信号的完整性，直至在示波器上能观察到清晰完整的声波信号。如图5.1和图5.2所示分别为单晶蓝宝石材料和镁铝尖晶石材料波导杆的示意图，图5.1中镁铝尖晶石波导杆通过氧化铝套管固定，光纤本身比较脆，用于防止实验过程中造成断裂，左上为波导杆示意图。

5.2 超声导波测温实验平台

超声导波测温实验平台主要由高温标定炉、传感器、超声测温设备、B型高精度热电偶对照组组成。高温标定炉的温度标定范围为0~1800℃，如图5.3所示，单晶氧化物波导杆区截端深入高温标定炉的炉膛作为被测温场，高温标定炉自带温度显示界面，用于设置0~1800℃标定温度区间，属于炉内平均温度，不能反映传感器当时测试温场温度，因此设置B型高精度热电偶对照组，从后端伸入被测温场，用于对照超声测温传感器测温温度。 

超声测温设备是实验平台的核心，主要用于发射超声波、采集回波信号数据、测温算法实现，实验数据上传至PC等。如图5.4所示，为超声测温实验平台搭建环境示意图。

第六章  总结与展望

6.1 论文工作总结

本论文的具体工作如下：

（1）分析国内外超声测温技术，研究当前高温氧化环境中超声测温技术，从超声传输特性机理研究出发，分析导波的频散特性、群速度、相速度、模态；通过研究超声测温原理，设计超声测温原理方案，建立超声测温模型和温度信息解耦关系；以单晶氧化物温度传感器的物化性质为着力点，确定选型材料为单晶蓝宝石和镁铝尖晶石材料，并设计单晶氧化物波导杆的尺寸参数，通过研究区截直径和波导杆直径关系对超声回波信号的影响，确定区截的长度和直径，选用速度快的纵向导波模态激发超声，直径为1.2mm；根据对超声传播特性机理研究确定超声信号激发频率为1MHz，选用同频的压电换能器作为激励源，完成单晶氧化物超声导波测温传感器的整体设计。

（2）根据超声测温原理方案，设计超声测温系统。完成芯片选型、各电路设计，并设计超声导波测温软件，其中包括USB驱动程序的安装，USB固件程序的开发，LabVIEW上位机测温软件的设计，接收传感器数据并显示波形至上位机上,对回波数据进行算法处理，显示处理结果等一系列功能。

（3）优化超声测温数据解耦算法，设计基于YOLOv5的超声波特征信号温度解耦方法。分析超声波飞行时间的计算方法，介绍现有的温度解耦算法，并指出其中问题，提出优化的互相关获取超声波信号超声波飞行时间算法，采用基于YOLOv5的超声波特征信号检测方法，获取超声波信号中的特征信号位置信息并计算超声波飞行时间。

参考文献（略）

（本文摘自网络）