基于磁致伸缩效应的超声波测温方法研究

文/于春和 栾玉国

根据超声波在固体介质中传

播时，声速随温度的变化而改变

的特点，通过磁致伸缩效应进行

超声波的产生及接收，由系统对

数据进行运算处理，从而实现对

温度的测量。该测量方法适应于

目前绝大多数环境下的温度测量，

尤其对高温测量更为精确。给出

硬件原理图及软件实现的基本流

程图，对测温过程进行阐述，并

通过实验测量及分析，实现了简

单电路下的准确测温。该方法是

对温度测量方法的又一种尝试。

摘 要

测量，因此对于研究温度测量方法及装置具有

重要的意义。

传统的热电偶、热电阻测温方法以其技

术成熟、结构简单、使用方便等特点，在未来

温度测量领域中，依然能够广泛使用。随着新

材料、新工艺以及一些新技术的发展，温度的

测量正在从模拟式向数字式，集成化向智能化、

网络化的方向飞速发展，并朝着多功能、高精

度、高可靠性等高科技的方向迅速发展。

测量温度的方法虽然有很多种，但是对

于高温测量、腐蚀性介质的温度测量以及高电

压环境等特殊温度的精确测量，需要结合测试

条件选择合适的测量方法才能完成，同时要求

测量者熟悉其测量方法的特点及原理，而这还

需要我们不断去寻求新的测量方法，并改进心

有测量技术，从而满足各种条件下对温度测量

的需求。

1 温度测量原理

1.1 磁致伸缩效应

所谓磁致伸缩效应是指铁磁性物质在外

加磁场的作用下，沿长度方向其尺寸伸长或缩

短，而在去掉外加磁场后又恢复到原来的长度。

这种现象是焦耳（J.P.Joule）在 1842 年发现的，

因此又称为焦耳效应。利用这一特性，可控制

外加磁场使其产生轴向的机械振动，从而激发

出超声纵波。相反，磁化了的铁磁棒发生形变

SKKT27B12E 可控硅实测如下：控制极G 与

阴极K（如引脚“4 和5”）之间电阻约20 欧

姆，阳极A 与阴极K（如引脚“1 和2”）、

阳极A 与控制极G（如引脚“1 和4”）之间

均为开路。

因此，在可控硅日常维护及检修中，如

果出现以下现象：控制极G与阴极K之间开路、

阳极A 与阴极K 之间短路、阳极A 与控制极

G 之间短路，则可判断此可控硅异常（在测量

控制极正反向电阻时，万用表应切换至R*10

或R*1 档，防止电压过高将控制极反向击穿）。

4 IGBT模块的维护检修

IGBT 是由双极型三极管和绝缘栅型场效

应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导

体器件，具有高输入阻抗和低导通压降的优

点。在城市轨道交通通信系统所使用的中性

UPS 设备中，IGBT 器件应用于FPC（Power

Factor Correction，即功率因数校正）整流模块

和DC/AC 逆变模块。IGBT 工作频率范围大，

可实现高频脉宽调制电流，有效减少谐波电流

的含量，达到绿色电源系统的标准。

IGBT 在UPS 系统中经常受过负荷、容性

或感性负载冲击等影响，容易损坏。在使用过

程中，可利用IGBT 的结构特点，选用指针式

万用表进行日常维护及检修。IGBT 的三个电

极分别为门极（G）、发射机（E）和集电极（C）。

正常的IGBT 在检测时，将黑表笔C 极，红表

笔接E 极，万用表指针处于零位；将手指同

时触及G 极和C 极，此时IGBT 被触发导通，

由于E 极和C 极间的导通电阻较小（几欧姆~

几百欧姆），万用表指针摆向阻值较小的方向，

并稳定在某一位置；最后，再将手指同时触及

G 极和E 极，此时IGBT 被阻断，万用表的指

针回零。在检修过程中，必须将指针式万用表

切换至R*1KΩ 档或以上档位，否则其内部电

池电压太低，无法使IGBT 导通，进而无法判

断IGBT 的好坏。

本文选用Infineon 公司的IGBT 模块

FS35R12KT3 作为参考，其内部结构示意图

如图2 所示，等效于三组IGBT 半桥式开关电

路。在日程维护检修中，可利用指针式万用表

分别检测FS35R12KT3 的六组IGBT 引脚（如

“1,2,25”或“3,4,27”等），如果都满足上述

正常IGBT 的判断条件，则可判断该模块是正

常的；如果发现存在某个IGBT 检测异常，则

表示该模块已损坏，应更换整块FS35R12KT3

模块，确保UPS 的整流模块和DC/AC 逆变模

块能正常运行。

5 总结

本文介绍了UPS 系统中常见功率易耗件

的类型及功能，重点探讨直流母排、可控硅模

块和IGBT 模块的作用，并探究了上述三种器

件的维护检修方法，为日常故障判断及处理提

供技术参考，能够有效提高日常维保工作的故

障处理效率。

参考文献

[1] 朱学治.UPS 系统设计与实现[J]. 铁路计

算机应用,2004,13(11):40-42.

[2] 王文勇. 单向可控硅的触发问题解答[J].

电子制作,2005,10:034.

[3] 王力坚.UPS 的 IGBT 整流技术[J]. 中国

金融电脑,2007(02):77-79.

作者单位

广州地铁集团有限公司 广东省广州市

510000