技術系統必須要進行常規缺陷檢查,以避免裂縫等情況發生。至今,壓電傳感器一直通過可靠地測量壓力、應力或電壓等參數,而應用於這類缺陷探測,通常僅限於200℃左右的場景。據麥姆斯諮詢報導,德國弗勞恩霍夫矽酸鹽研究所(Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC)的研究人員成功地開發出了一款特種耐高溫壓電傳感器,能夠在最高900℃的高溫下持續進行部件探測。他們將在2017年5月30日~6月1日於紐倫堡舉辦的SENSOR+TEST(傳感器+測試測量博覽會)上展示這款傳感器。

如果被檢測的部件,如火力發電站的蒸汽管上出現了裂縫、腐蝕或其它缺陷,那是一定要進行維修更換的。安裝在部件外部的超聲波傳感器可以探測這些缺陷,但是,前提是環境溫度不能超過200℃。當高於這個溫度時,傳統的壓電材料就無法再確定壓力、應力、電壓、加速度、或作為氣體傳感器了。此外,在這樣的溫度下,任何非耐高溫的塑料封裝也會被損壞。

首款針對高溫應用的傳感器

“我們已經成功的將這款傳感器應用在了最高600℃的應用場景中。總體來看,這款傳感器應該能夠耐受最高900℃的高溫,” Fraunhofer ISC智能材料研究中心應用技術部門的負責人Bernhard Brunner博士說。另外,這款超聲波傳感器還能夠長期保持穩定運行,對於所有用戶案例,它至少能夠穩定運行兩年。對於部分應用,研究人員預計這款傳感器的服務壽命能夠達到數十年之久。

其原理和其它壓電傳感器基本一樣:它們會被安裝在被測部件的外部,例如熱鋼管的外部。當交變電壓施加在壓電晶體上時,它會發生機械形變,從而向被測部件發出一段超聲波。之後,傳感器轉而接收並探測從被測部件反射回來的信號。對於大部分情況,它會接收到與發出信號一致的信號。不過,如果部件出現了裂縫或者腐蝕點,缺陷部位將改變反射信號,從而指示出缺陷的位置。當使用多個傳感器來充當發射器和接收器,缺陷的位置可以精確到幾毫米的範圍內。根據部件材質的不同,這款傳感器可以覆蓋數米的監測範圍。

其挑戰在於製作能夠在高溫部件上持續作為超聲換能器運行的標準壓電晶體。尤其困難的是封裝傳感器並將其貼附在部件上的粘合劑,它往往無法持續的耐受非常高的溫度。 “這就是為什麼我們採用玻璃焊劑作為粘合劑和封裝材料的原因,” Brunner解釋說。這意味著粘合組份中的玻璃不僅需要能夠耐受高溫,尤其還要能耐受環境溫度和部件運行溫度之間數百度的溫差。

當被測組件受熱時,其中的鋼材會顯著膨脹,而壓電晶體的形變則非常有限。傳感器嵌入的玻璃焊劑需要能夠耐受這些形變,而不至於破碎。最後,研究人員在傳感器上塗覆了多層不同的玻璃焊劑,它們之間以及和被測組件的特種材料都能夠完美相容。對應的玻璃焊劑以及加工技術、生產工藝都來自Fraunhofer ISC。為了保證電信號傳輸線在高溫下不被破壞,相關線纜採用了鉑等貴金屬。

應用前景廣泛

這款耐高溫超聲波傳感器具有廣闊的應用前景,例如,研究人員可以利用這些傳感器非接觸地測量流過管道的高溫液體(如石油等),以及氣體或液體的溫度等。一般情況下,利用電極測量溫度,需要數秒的時間來確定準確的溫度,而應用這款超聲波傳感器則能在數毫秒內獲得溫度測量結果。這款超聲波傳感器基於聲波的傳播速度來測量溫度,因為聲波的傳播速度和溫度有關。科學家們將在2017年在紐倫堡舉辦的SENSOR+TEST測量博覽會上展示他們的研究成果。

Source:德國弗勞恩霍夫研究

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