德国弗劳恩霍夫研究所开发出耐受900℃高温的超声波传感器
2017-05-04 22:23:49   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

技术系统必须要进行常规缺陷检查，以避免裂缝等情况发生。至今，压电传感器一直通过可靠地测量压力、应力或电压等参数，而应用于这类缺陷探测，通常仅限于200℃左右的场景。据麦姆斯咨询报道，德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所（Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC）的研究人员成功地开发出了一款特种耐高温压电传感器，能够在最高900℃的高温下持续进行部件探测。他们将在2017年5月30日~6月1日于纽伦堡举办的SENSOR+TEST（传感器+测试测量博览会）上展示这款传感器。

如果被检测的部件，如火力发电站的蒸汽管上出现了裂缝、腐蚀或其它缺陷，那是一定要进行维修更换的。安装在部件外部的超声波传感器可以探测这些缺陷，但是，前提是环境温度不能超过200℃。当高于这个温度时，传统的压电材料就无法再确定压力、应力、电压、加速度、或作为气体传感器了。此外，在这样的温度下，任何非耐高温的塑料封装也会被损坏。

首款针对高温应用的传感器

“我们已经成功的将这款传感器应用在了最高600℃的应用场景中。总体来看，这款传感器应该能够耐受最高900℃的高温，” Fraunhofer ISC智能材料研究中心应用技术部门的负责人Bernhard Brunner博士说。另外，这款超声波传感器还能够长期保持稳定运行，对于所有用户案例，它至少能够稳定运行两年。对于部分应用，研究人员预计这款传感器的服务寿命能够达到数十年之久。

其原理和其它压电传感器基本一样：它们会被安装在被测部件的外部，例如热钢管的外部。当交变电压施加在压电晶体上时，它会发生机械形变，从而向被测部件发出一段超声波。之后，传感器转而接收并探测从被测部件反射回来的信号。对于大部分情况，它会接收到与发出信号一致的信号。不过，如果部件出现了裂缝或者腐蚀点，缺陷部位将改变反射信号，从而指示出缺陷的位置。当使用多个传感器来充当发射器和接收器，缺陷的位置可以精确到几毫米的范围内。根据部件材质的不同，这款传感器可以覆盖数米的监测范围。

其挑战在于制作能够在高温部件上持续作为超声换能器运行的标准压电晶体。尤其困难的是封装传感器并将其贴附在部件上的粘合剂，它往往无法持续的耐受非常高的温度。“这就是为什么我们采用玻璃焊剂作为粘合剂和封装材料的原因，” Brunner解释说。这意味着粘合组份中的玻璃不仅需要能够耐受高温，尤其还要能耐受环境温度和部件运行温度之间数百度的温差。

当被测组件受热时，其中的钢材会显著膨胀，而压电晶体的形变则非常有限。传感器嵌入的玻璃焊剂需要能够耐受这些形变，而不至于破碎。最后，研究人员在传感器上涂覆了多层不同的玻璃焊剂，它们之间以及和被测组件的特种材料都能够完美相容。对应的玻璃焊剂以及加工技术、生产工艺都来自Fraunhofer ISC。为了保证电信号传输线在高温下不被破坏，相关线缆采用了铂等贵金属。

应用前景广泛

这款耐高温超声波传感器具有广阔的应用前景，例如，研究人员可以利用这些传感器非接触地测量流过管道的高温液体（如石油等），以及气体或液体的温度等。一般情况下，利用电极测量温度，需要数秒的时间来确定准确的温度，而应用这款超声波传感器则能在数毫秒内获得温度测量结果。这款超声波传感器基于声波的传播速度来测量温度，因为声波的传播速度和温度有关。科学家们将在2017年在纽伦堡举办的SENSOR+TEST测量博览会上展示他们的研究成果。

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