专利名称：一种传感器以及用其测量内部温度的方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，尤其是一种超声波传感器。此外，本发明还涉及使用该传感器测量内部温度的方法。
背景技术：
许多行业都需要以非侵入(non-1nvasive)的方式监控某一对象的温度，特别是不易直接接触的测点的温度。例如，在电力行业开关柜的应用中，连接表面的腐蚀会导致连接处的接触电阻增高，进而致使连接处的温度增高。如果不及时处理，会造成短路等系统故障。因此，需要对发电、输电以及配电的许多组件进行连续监测以防止故障发生。有时温度增高的热点会处于传统传感器(例如热电偶)不可及的位置，例如电力高压开关触头及母线连接点。发生短路故障时，由于热传导的滞后效应，这些位置的温度与外表面温度可能会相差几百度。若能对物体内部温度进行测量，则可实时了解开关状态，及时防范可能出现的故障。采用已有的温度传感器，例如热电偶、电阻温度传感器(RTD)、半导体、超声波以及光纤等，需要在测量中解决高压绝缘的问题。红外摄像机能借助热成像技术以非接触的方式发现热点。然而，工业级红外摄像机的价格昂贵且安装和维护复杂，并容易受到被测对象表面灰尘的干扰。此外，这些现有技术都只能测量被测对象的外表面温度，对高压开关的触头、母线等的内部温度无法直接测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种传感器，其能够以非侵入的方式对传统传感器不可及的位置的内部温度进行测量，且以较低的成本制造、安装和维护。这种传感器包括一个超声波换能器和一个阻尼器，其中所述阻尼器用于连接在所述超声波换能器和被测对象之间。所述超声波换能器借助所述阻尼器向被测对象发射超声波并接收所述超声波的反射波。阻尼器可以使得超声波换能器发射出的超声波进入被测对象，并使该超声波换能器能够接收到该超声波在被测对象另一侧的表面产生的反射波。依据本发明的一个方面，所述传感器还包括一个耦合器。所述耦合器可连接在所述阻尼器和被测对象之间。耦合器有利于超声波进入被测对象。依据本发明的另一方面，所述阻尼器的厚度小于2_。依据本发明的再一方面，所述传感器还包括一个壳体。所述超声波换能器、所述阻尼器以及所述耦合器封装在所述壳体内，所述壳体可通过与被测对象焊接或粘结来将所述传感器固定到被测对象。壳体为传感器内的各种组件提供保护，并使得传感器形成�？橐苑奖闶褂�。依据本发明的又一方面，所述传感器还包括一个位于所述超声波换能器和所述壳体之间的弹簧。弹簧将超声波换能器、阻尼器和耦合器挤压在被测对象的表面上，有利于超声波及其反射波在不同组件中的传播。依据本发明的又一方面，所述传感器还包括一个可与问答器通信的无线变送器。无线变送器使得传感器可以无线方式接收和发送信号。依据本发明的又一方面，所述超声波换能器为压电换能器或掠面体波换能器。依据本发明的又一方面，所述超声波换能器为叉指换能器。所述叉指换能器与所述阻尼器形成一个整体。整体的设计使得超声波换能器的结构更加紧凑。依据本发明的又一方面，所述超声波换能器与一个天线连接。超声波换能器直接与天线连接使得传感器的结构更加紧凑。依据本发明的又一方面，所述阻尼器由铌酸锂制成。本发明的目的还在于提供一种测量内部温度的方法，以非侵入的方式对传统传感器不可及的位置的内部温度进行测量。这种测量内部温度的方法使用上述的传感器，包括:步骤1:将所述传感器固定到被测对象一侧的表面；步骤2:所述传感器向被测对象发射超声波；步骤3:分别计算所述传感器发射出所述超声波和接收到所述超声波在被测对象一侧的表面产生的第一反射波之间的第一时间延迟tldelay以及所述传感器发射出所述超声波和接收到所述超声波在被测对象另一侧的表面产生的第二反射波之间的第二时间延迟
^2delay ;步骤4:根据所述第一时间延迟 tldelay和所述第二时间延迟t2delay来确定被测对象的内部温度Γ。依据本发明的一个方面，在步骤4之后还包括:步骤5:根据所述第一时间延迟tldelay来确定被测对象的外表面温度T1和/或确定被测对象⑵的内表面温度T2。借助第一时间延迟tldelay，使得本发明在测量被测对象的内部温度7的同时，还可以测量被测对象的外表面温度1\。由被测对象的外表面温度T1和内部温度7，还可以得到被测对象的内表面温度T2。依据本发明的另一方面，在步骤I之后和步骤2之前还包括:步骤21:所述传感器以无线方式接收信号；以及在步骤3之后和步骤4之前还包括:步骤41:所述传感器以无线方式发送信号。利用无线方式接收和发送信号方便了传感器的使用。依据本发明的再一方面，步骤4中被测对象的内部温度7是通过以下式子计算得到的3 ，其中所述超声波在被测对象中的实际声速& = --—^，L为被测对象
2 delay I delay
一侧的表面至被测对象另一侧的表面沿所述超声波传播方向上的距离，V0为所述超声波在被测对象中的参考声速，而α!为被测对象的线性温度系数。依据本发明的又一方面，步骤5中被测对象的外表面温度T1是通过以下式子计算
得到的-X =T0 + tldel^to，其中Tci为参考温度，α 2为阻尼器的线性温度系数，而h为参考
温度下所述超声波在阻尼器中的传播时间；被测对象的内表面温度1~2是通过以下式子计算得到的-.T2=TT-T1。依据本发明的一个方面，在步骤I中，将两个所述传感器连接到被测对象一侧的表面，并使得两个所述传感器中的一个发射的超声波在被测对象另一侧的表面产生的反射波能够被两个所述传感器中的另一个接收。这有利于在更大的范围内对被测对象的内部温度进行测量。下文将以明确易懂的方式，结合
优选实施例，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。图1是本发明传感器的一种实施方式的示意图。图2是本发明传感器的另一实施方式的示意图。图3是使用本发明传感器测量内部温度的方法的流程图。图4是本发明传感器安装在母线2上来实现本发明方法的示意图。
图5示意性地展示了采用图3所示的方法测量内部温度时，所发射出的超声波及其第一反射波和第二反射波的幅值关系和时间关系，其中X轴表示时间Y轴表示幅值。图6是本发明传感器安装在母线上的另一实施方式的示意图。图7是本发明传感器安装在母线上的再一实施方式的示意图。标号说明I传感器111超声波换能器112叉指换能器121，122 阻尼器13稱合器14壳体15弹簧16天线17无线变送器18问答器2母线S发射出的超声波Rl第一反射波R2第二反射波tldelay 第一时间延迟t2delay 第二时间延迟
具体实施例方式为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照
本发明的具体实施方式
。在各图中相同的标号表示相同或结构相似但功能相同的部件，且在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地描绘了其中的一个，或仅标出了其中的一个。为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。本文中“连接”、“固定”、“安装”表示直接的“连接”、“固定”、“安装”，或是经由第三者的“连接”、“固定”、“安装”。图1是本发明传感器的一种实施方式的示意图，其中传感器I包括一个超声波换能器111和一个阻尼器121。阻尼器121用于连接在超声波换能器111和作为被测对象的母线2(见图4、6和7)之间。超声波换能器111借助阻尼器121向被测对象发射超声波S(见图4、6和7)并接收该超声波S的反射波。传感器I还可包括耦合器13，其中耦合器13连接在阻尼器121和母线2之间以利于超声波换能器111发射出的超声波S进入母线2，且利于超声波换能器111接收超声波S在母线2另一侧的表面产生的作为第二反射波的反射波R2。超声波换能器111、阻尼器121以及耦合器13可封装在壳体14内。壳体14可通过与母线2焊接或粘结来将传感器I固定到被测对象。超声波换能器111和壳体14之间还可具有一个弹簧15。当壳体14与母线2焊接或粘结后，弹簧15将超声波换能器111、阻尼器121和耦合器13挤压在母线2的表面上，从而有利于超声波S及其反射波Rl和/或R2在阻尼器121和耦合器13等不同组件中传播。传感器I还可包括一个可与问答器18(见图6)通信的无线变送器17，以利用无线方式接收和发送信号来方便传感器的使用。本领域技术人员将理解，超声波换能器111可以为压电换能器、掠面体波(SSBW)换能器或叉指换能器112。通常，压电换能器用作主动传感器，其频率可在IMHz-lOOMHz内选择，此时需要电源(如电池)供电；而掠面体波换能器用作被动传感器，可用于无线测量应用，且无需电源供电。当超声波换能器为图2所示的叉指换能器112时，叉指换能器112与阻尼器121形成一个整体并与一个天线16连接。同时，本领域技术人员还将理解，传感器I也可以不具有壳体14，且超声波传感器111或叉指换能器112可以不连接到天线16或无线变送器17，而是通过有线的方式连接到测量系统的其它部分。阻尼器121或阻尼器122优选由任何一种具有高热导率的材料制成，例如由铌酸锂制成，但也可以采用其它材料，其厚度优选小于2mm，特别为1_，这样可以近似地认为阻尼器的温度与作为被测对象的母线2 —侧的表面温度相问。这里将与传感器I接触的被测对象的表面称为外表面，其温度称为外表面温度T1 ；将与传感器I相对的被测对象另一侧的表面称为内表面，其温度称为内表面温度T2;而将被测对象内部的平均温度称为内部温度F。相对于只能测量外表面温度T1的传统传感器而言，本发明则提供了测量内部温度F和内表面温度T2的传感器和方法。在使用上述传感器I测量母线的内部温度时，可以如图4所示将传感器I连接到母线2 —侧的表面，并采用包含图3所示的以下步骤的方法进行测量:步骤1:将传感器I固定到作为被测对象的母线2 —侧的表面；步骤2:传感器2向被测对象发射超声波S ；步骤3:分别计算传感器2发射出超声波S和接收到超声波S在母线2 —侧的表面产生的第一反射波Rl之间的第一时间延迟tldelay(见图5)以及传感器I发射出超声波S和接收到超声波S在母线2另一侧的表面产生的第二反射波R2之间的第二时间延迟t2delay(见图 5)；步骤4:根据第一时间延迟tldelay和第二时间延迟t2delay来确定母线2的内部温度T。如图4所不,传感器I的超声波换能器111向母线2 —侧发射的超声波S的一部分经过阻尼器121和耦合器13后立即被母线2 —侧的表面反射而产生作为第一反射波的反射波R1，反射波Rl又通过耦合器13和阻尼器121被超声波换能器111接收到，其中发射出超声波S的时刻与接收到反射波Rl的时刻的时间差即为图5所示的第一时间延迟tldelay。传感器I的超声波换能器111向母线2 —侧发射的超声波S的另一部分通过阻尼器121和耦合器13进入母线2，并在母线2另一侧的表面产生作为第二反射波的反射波R2，反射波R2又通过耦合器13和阻尼器121被超声波换能器111接收到，其中发射出超声波S的时刻与接收到反射波R2的时刻的时间差即为图5所示的第二时间延迟t2delay。由于声波的传播速度会随着传播介质中温度的变化而变化，故可以通过计算声波在被测对象中的声速来计算被测对象的内部温度。在步骤4之后还可包括步骤5:根据第一时间延迟tldelay来确定母线2的外表面温度T1，并根据歹和T1确定母线2的内表面温度T2。步骤4中被测对象的内部温度；是通过以下式子计算得到的
权利要求
1.一种传感器(I)，包括一个超声波换能器(111、112)和一个阻尼器(121、122)，其中所述阻尼器(121、122)用于连接在所述超声波换能器(111、112)和被测对象(2)之间，所述超声波换能器(111、112)借助所述阻尼器(121、122)向被测对象(2)发射超声波(S)并接收所述超声波(S)的反射波(R1、R2)。
2.根据权利要求1所述的传感器(I)，其中所述传感器(I)还包括一个耦合器(13)，所述耦合器(13)用于连接在所述阻尼器(121、122)和被测对象(2)之间。
3.根据权利要求2所述的传感器(I)，其中所述阻尼器(121、122)的厚度小于2mm。
4.根据权利要求2所述的传感器(I)，其中所述传感器(I)还包括一个壳体(14)，所述超声波换能器(111、112)、所述阻尼器(121、122)以及所述耦合器(13)封装在所述壳体(14)内，所述壳体(14)可通过与被测对象(2)焊接或粘结来将所述传感器(I)固定到被测对象⑵。
5.根据权利要求4所述的传感器(I)，其中所述传感器(I)还包括一个位于所述超声波换能器(111、112)和所述壳体(14)之间的弹簧(15)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器(I)，其中所述传感器(I)还包括一个可与问答器(18)通信的无线变送器(17)。
7.根据权利要求1所述的传感器(1)，其中所述超声波换能器(111、112)为压电换能器或掠面体波换能器。
8.根据权利要求1所述的传感器(I)，其中所述超声波换能器(111、112)为叉指换能器，所述叉指换能器与所述阻尼器(122)形成一个整体。
9.根据权利要求7或8所述的传感器(I)，其中所述超声波换能器(111、112)与一个天线(16)连接。
10.根据权利要求1或3所述的传感器(1)，其中所述阻尼器(121、122)由铌酸锂制成。
11.一种测量内部温度的方法，使用权利要求1至10中任一项所述的传感器(1)，包括: 步骤1:将所述传感器⑴固定到被测对象⑵一侧的表面； 步骤2:所述传感器(I)向被测对象(2)发射超声波(S)； 步骤3:分别计算所述传感器(I)发射出所述超声波(S)和接收到所述超声波(S)在被测对象(2) —侧的表面产生的第一反射波(Rl)之间的第一时间延迟tldelay以及所述传感器(I)发射出所述超声波(S)和接收到所述超声波(S)在被测对象(2)另一侧的表面产生的第二反射波(R2)之间的第二时间延迟t2delay ； 步骤4:根据所述第一时间迟tldelay和所述第二时间延迟t2delay来确定被测对象(2)的内部温度Γ。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在步骤4之后还包括: 步骤5:根据所述第一时间延迟tldelay来确定被测对象(2)的外表面温度T1和/或确定被测对象(2)的内表面温度T2。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中在步骤I之后和步骤2之前还包括: 步骤21:所述传感器(I)以无线方式接收信号；以及 在步骤3之后和步骤4 之前还包括: 步骤41:所述传感器(I)以无线方式发送信号。
14.根据权利要求11所述的方法，其中步骤4中被测对象⑵的内部温度F是通过以下式子计算得到的=，其中所述超声波(S)在被测对象(2)中的实际声速vt=-~^，L为被测对象(2) —侧的表面至被测对象(2)另一侧的表面沿所述超声波 2 delay \ delay(S)传播方向上的距离，V0为所述超声波(S)在被测对象(2)中的参考声速，而α I为被测对象(2)的线性温度系数。
15.根据权利要求12所述的方法，其中步骤5中被测对象⑵的外表面温度T1是通过以下式子计算得到的-X =T0 + tld^ ~to，其中Τ(ι为参考温度，α 2为所述阻尼器(121、122)的线性温度系数，而h为参考温度下所述超声波(S)在所述阻尼器(121、122)中的传播时间；被测对象(2)的内表面温度T2是通过以下式子计算得到的-.T2 = IT-T1。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中在步骤I中，将两个所述传感器(I)连接到被测对象(2) —侧的表面，并使得两个所述传感器(I)中的一个发射的超声波(S)在被测对象(2)另一侧的表面产生的反 射波(R2)能够被两个所述传感器(I)中的另一个接收。
全文摘要
本发明提供一种传感器，包括一个超声波换能器和一个阻尼器，其中所述阻尼器用于连接在所述超声波换能器和被测对象之间。所述超声波换能器借助所述阻尼器向被测对象发射超声波并接收所述超声波的反射波。本发明还提供一种使用该传感器测量内部温度的方法。这种传感器及使用该传感器测量内部温度的方法能够以非侵入的方式对传统传感器不可及的位置的内部温度进行测量，且该传感器能以较低的成本制造、安装和维护。
文档编号G01K11/24GK103185646SQ20111045416
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者范顺杰, 郭旻, 卓越 申请人:西门子公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
