综述：通过金属波导利用超声双路径差分法进行温度测量

《Ultrasonics》：Ultrasonic Dual-Path differential method for temperature measurement via metal waveguides

　　张宇晨|梁山|卜鸿|中国浙江大学信息工程学院浙江省电磁波信息技术与计量重点实验室，杭州310018

摘要：本文提出了一种创新的双路径差分法，通过利用波的飞行时间差来实现波导温度测量，采用了透射波传播方式。设计了双路径和螺旋双路径两种几何结构，并探讨了管径比和声能分布以获得最优的接收波形。在有限元仿真和实际实验中，选择6061铝合金作为实验材料，在0-400℃的温度范围内进行测试。将这两种新结构与L型、带缺口型和带孔型三种传统波导结构进行比较，使得平均分辨率从4℃/10纳秒提升至2℃/10纳秒和1℃/10纳秒，平均误差的绝对值分别从3.6℃降至1.9℃和1.6℃，标准偏差则分别降低了43%和57%。结果表明，优化波导几何结构是提升测量性能的有效方法。

引言：温度测量在能源转换、存储、材料加工、核能工艺、航空航天以及军事应用等诸多领域都起着至关重要的作用。目前，工业和科学研究中已经发展出了多种成熟可靠的温度测量技术，每一种都形成了完整的应用体系。传统的热电偶基于塞贝克效应，具有结构简单、成本低、响应速度快（毫秒级）、安装方便等优点，其温度测量范围可达?200℃至1800℃，广泛应用于工业高温炉、发动机测试以及过程控制中。电阻温度检测器（如Pt100）则利用金属电阻随温度变化的特性，可实现0.1℃的高精度测量，年漂移率低于0.05℃，稳定性优异，因此被广泛用于实验室精密温度控制、工业仪表以及需要长期稳定性的监测场合。红外温度测量技术则通过接收物体表面的热辐射来实现非接触式测量，其温度测量范围宽，适用于移动物体、高风险环境或难以接近的表面，在冶金、电力设备检测以及安全监控等领域有着重要应用。光纤温度传感器则基于拉曼散射或荧光效应，具有抗电磁干扰能力强、适合远距离分布式测量的优点，测量精度可达0.5℃，逐渐被应用于高压电缆温度监测以及大型结构健康诊断等特殊环境。石英晶体谐振温度传感器则利用其对谐振频率的高敏感性来进行温度测量，在?40℃至120℃的温度范围内可达到0.04℃的测量分辨率，常用于局部高精度温度校准以及敏感点监测。这些温度测量技术各有优势，已在众多场景中得到成功应用，但在某些特殊和极端环境中仍面临挑战。例如在封闭空间、强电磁干扰环境、高腐蚀性介质环境或存在较大空间温度梯度的情况下，传统传感器可能由于物理接触不良、信号干扰、材料老化或响应延迟等问题，难以实现有效且可靠的长期监测。在这种背景下，基于波导的超声波温度测量方法因其独特的物理机制而备受关注。该方法利用超声波在固体波导中的传播速度、衰减或谐振频率等参数随温度变化的特性来进行反演，具有抗电磁干扰能力强、能够实现空间分辨率测量以及适合在封闭结构内部进行检测等优点，为那些传统方法难以有效应用的复杂环境提供了一系列新的技术途径。目前，该领域的理论探索和实验验证已取得显著进展，下文将对此进行详细阐述。

超声波测温是一种基于介质温度与波速之间函数关系的测量技术。作为一种新兴的温度测量方法，由于其具有测量范围广、分辨能力高、响应速度快以及在恶劣环境中的稳定性好等优点，近年来受到了越来越多的研究关注。超声波无损温度测量技术通过将探头放置在待测金属外部，检测超声波在金属介质中的传播速度，进而反算出介质温度。该技术具有非接触式操作、抗电磁干扰、空间分辨率高以及响应速度快等优点，能够实现毫秒级的动态监测和局部温度场分析，被广泛用于高温炉和金属铸造过程的监测、核电站冷却剂温度监测、肿瘤热疗中的组织温度成像、材料热物理性质测试以及燃烧场诊断等方面。这种无创测量方法为高温、强电磁干扰、危险环境以及生物医学应用等特殊场景提供了独特的解决方案。不过，超声波无损温度测量的准确性会受到介质不均匀性、声学参数-温度模型的校准复杂性以及环境干扰（如流动介质和机械振动）等因素的显著影响，因此亟需通过多参数融合、算法优化或跨模态校准等方式来提高其可靠性。超声波波导温度测量技术则是通过检测放置在被测区域内的金属波导中的波速来反算温度。图1a展示了一种采用压电换能器实现超声波发送和接收功能的带缺口波导回波温度测量系统。在金属波导上制作一个缺口，从缺口到端面的一段作为测量段。当该测量段处于加热区域时，会通过热交换迅速与周围环境达到热平衡。超声波在波导中传播时会产生缺口回波和终端回波，探头可以检测到这两种回波的到达时间。通过这两个回波的飞行时间差，结合已知的测量段长度，就可以计算出波速，进而进行温度反演。不过，回波检测方法的一个缺点是超声波幅值的指数级衰减，在实际测量中，缺口回波很容易被多模态噪声淹没，导致信号识别困难。近年来，研究人员越来越多地采用透射法的第一到达峰时间来测量二维温度场。在这种方法中，探头被布置在待测二维温度场的周围，根据声学路径时间来重建二维温度场。在透射法中，压电换能器被放置在波导的两侧，一个用于发射超声波，另一个用于接收，这种方法可以将接收信号和发射信号分开，通过第一到达峰检测来避免信号混淆，避免多模态噪声干扰，从而提高信号识别的准确性。波导温度测量技术的关键在于获取传播时间差，而这直接与波导的几何设计相关。优秀的几何设计能够让波导即使在温度变化较小的情况下也能获得可观测的时间差数据。下文将分析传统研究中使用的波导几何结构及声学路径。Periyannan等人首先采用了如图1b所示的L型弯曲波导结合脉冲回波模式进行了实验。他们将波导的水平部分置于恒定温度区作为测量区域，而垂直部分则与超声波换能器相连。利用弯曲结构的几何特性，可以在时间域内将弯曲处的回波（Tof 2）和末端反射的信号（Tof 1）区分开来。通过跟踪这两种信号之间的飞行时间差随温度的变化，能够在1200℃范围内实现弹性模量的动态反演。随后，作者们通过分离弯曲处和末端的反射信号，还在炉子里实现了4.7℃分辨率的温度测量。这种方法克服了传统单路径波导中固有的温度梯度干扰问题，为高温环境监测提供了一种新方法。不过，该方法也存在一些局限性：弯曲端面的回波反射不够清晰，群速度也会受到噪声干扰的显著影响，峰值时间获取的准确性还有很大的提升空间。此外，波导中存在的多模态干扰会导致模态噪声容易与Tof 1回波混合，从而增加信号区分的难度。Raja等人研究了缺口的形状和深度，通过多次对比实验确定了最佳的波导缺口设计。他们将波导改进为图1c所示的环形缺口设计，实现了2–5℃的测量精度，平均误差低于2–3%。此后，Miao等人基于环形缺口波导回波系统的原理，开发了一种采用蓝宝石光纤传感器的温度检测系统。该系统由高温校准炉、超声波脉冲发射/接收系统以及计算机组成，在600℃至1800℃范围内温度波动小于0.24℃/分钟，稳定性很高。在此基础上，Wang等人进一步开发了一种多区域蓝宝石波导温度测量系统。通过优化光纤直径（0.7毫米）和槽槽尺寸（0.5毫米），该系统在静态校准后实现了1℃以上的测量精度，并成功应用于熔融铝温度测试，证明了其在高温环境中的温度稳定性和可靠性。Periyannan等人还在图1a的测量段所示的直型带缺口波导基础上，设计了一种多缺口螺旋波导。这种螺旋设计增加了声学路径长度，使得温度测量精度达到了热电偶读数的2%以内，同时还能够实现对多段非均匀温度场的测量，不仅验证了超声波在弯曲波导中的传播可能性，也为复杂环境中的超声波温度测量技术提供了新的解决方案。不过，环形缺口设计仍然面临回波信号混合、严重多模态噪声干扰、信号获取困难以及声阻抗匹配复杂等问题。John等人进一步通过采用如图1d所示的带孔结构来优化波导设计，以提高稳定性。他们将带有孔洞的Inconel 625分段波导插入燃煤电厂的锅炉燃烧区域，利用多个超声波回波来反算不同区域的温度。这种方法成功地在20-1000℃的高温区域实现了持续一周的温度监测，其环境适应性明显优于传统传感器，测量精度与热电偶相当，约为±4.6℃。不过，这种方法仍然容易受到棒材内部多模态噪声干扰的影响，而且锅炉内的灰烬积累可能会扭曲孔洞信号并在波导表面形成绝缘层，影响测量精度。从算法角度来看，多段穿孔方法在确定各段的波速时还需要对热膨胀引起的长度变化进行补偿，从而导致整体计算十分复杂。传统的波导设计大多基于线性结构，通常还会通过钻孔、环形开槽或铸造等方式进行径向改造，这些改造不可避免地会影响波导的强度、性能和使用寿命。传统系统通常采用回波模式检测，此时超声波信号极易受到内部多模态噪声的干扰，测量段之间的时间差仅在纳秒级别，这对超声波仪器的时间分辨率提出了很高的要求。研究人员会根据测量目标选择不同的超声波模式（剪切波、纵波或表面波），一般会使用高采样频率的精密超声波仪器。有些实验甚至还会重新设计电磁换能器，以实现更高的精度。此外，速度-温度反演方法在处理热膨胀问题时也存在着算法上的挑战。然而，很少有研究进一步优化波导的几何形状以提高温度测量精度。本文基于超声波波导测温原理，开发了一种双路径透射式超声波波导温度测量系统。该系统采用透射式配置来检测第一到达峰，同时通过调整长波导路径和短波导路径的横截面尺寸来分配声能，从而避免信号被噪声淹没以及多模态干扰。该波导采用了包括U形弯曲双路径和螺旋结构螺旋双路径在内的创新几何设计。温度测量是通过计算声波在长路径和短路径上传播的时间差来实现的。弯曲的几何结构提升了时间差分辨率，从而提高了测量精度。该设计无需进行结构改造即可保持径向完整性，减少了因结构变化带来的噪声干扰，进而延长了使用寿命。

**系统与波导设计**
图2展示了一种透射式波导差分温度测量系统，它由四个主要部件组成：示波器（电脑）、多通道超声脉冲发生器-接收器、电磁感应探头（PZT）以及波导。多通道超声仪器生成电信号，这些信号通过同轴电缆传输到PZT探头。PZT换能器将电信号转换为超声波，这些超声波会在材料中传播。

**材料参数与仿真环境**
为研究超声波在波导中的传播情况、分析声能分布，并评估不同波导配置下的温度测量性能，本文采用了有限元仿真软件COMSOL Multiphysics来对温度测量系统进行建模。用于仿真的波导材料为6061铝合金。选择这种材料是因为其参数容易获取、成本较低，且非常适合用于制造相关器件。

**系统搭建**
图6a展示了整个实验装置的结构。温度测量系统由四个主要部件构成：示波器（电脑）、超声脉冲发生器-接收器、超声探头以及波导，这四者共同组成了一个完整的基于超声波导的温度测量系统。加热系统则包括电砂浴锅、K型热电偶以及温度记录仪，它们共同构成了砂浴加热装置和热电偶温度测量系统。

**结论与讨论**
波导几何结构设计的创新为提升系统性能提供了新途径。本文提出了两种采用双路径结构的温度传感波导。在超声仪器的时间分辨率相同的条件下，这两种设计显著提升了超声温度测量的精度。实验结果表明，新设计的双路径结构以及螺旋双路径结构使得平均绝对误差从3.6℃降低到了1.9℃。

**CRediT作者贡献说明**
张宇辰：撰写——初稿、可视化、验证、软件应用、项目管理、方法论设计、研究实施。单亮：撰写——初稿、资金筹集、正式分析、概念构思。霍鸿：项目管理、正式分析、数据整理。孔明：撰写——审稿与编辑、资金筹集、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本项工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号51874264和52076200）的资助。同时，我们也感谢中国吉林大学开放获取出版基金的支持。