声学温度计中声学传感器的对比研究.pdf

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1、2015年仪表技术与传感器2015第4期InstrumentTechniqueandSensorNo．4声学温度计中声学传感器的对比研究高结，冯晓娟，林鸿，李晓苇，张金涛(1．河北大学物理学院，河北保定071002；2．中国计量科学研究院热工计量科学研究所，北京100013)摘要：声学传感器的研究对提高声学共鸣法测量Bohzmann常数k的精度以及高温区热力学温度的测量都十分重要。借助声学共鸣法，文中研究了压电陶瓷与电容式麦克风的响应特性。结果表明，在相同条件下，麦克风测量信噪比和频率随机偏差矾／，N都明显优于压电陶

2、瓷，验证了麦克风的高灵敏性；另外，两种传感器测量的半宽值的Ag／f均远小于1X10一，为后续高温区热力学温度测量和减小k不确定度奠定了基础。关键词：声学共鸣法；声学传感器；压电陶瓷；电容式麦克风中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002—1841(2015)o4—0001—03ComparisonofAcousticTransducersinAcousticThermometryGAOJie，FENGXiao-juan，LINHong，LIXiao．wei，ZHANGJin．tao(1．Collegeof

3、Physics，HebeiUniversity，Baoding071002，China；2．DifisionofThermophysicsandProcessMeasurements，NationalInstituteofMetrology，Beijing100013，China)Abstract：ThestudyonacoustictransducerisverynecessaryforpromotingtheprecisionBohzmannconstantkBmeasurementandmeasuringthe

4、rmodynamictemperatureofhigh—temperaturezone．Bymeansoftheacousticresonancemethod，theresponseprop—ertyofthepiezoelectricceramics(PZT)andcondensermicrophonewerestudiedinthefixedcylinderresonator．Theresultsshowthatthemicrophonesignal—to—noiseandfrequencyrandomdevia

5、tion，aresuperiortoPZT，whichprovesthemicrophonehashighersensitivityonmeasurementofacousticresponse．Moreover．thehalf-valuesoftwosensorsAg／farelessthan1×10一．Thisre-searchlaidthefoundationofthethermodynamictemperaturemeasurementsathightemperatureandreducingtheuncer

6、taintyofkB．Keywords：acousticresonance；acoustictransducer；piezoelectricceramics；condensermicrophone0引言1实验目前，在用于确定波尔兹曼常数的基准方法中，声学共1．1理论基础鸣法是具有最高准确度的方法，在k重新定义、热力温度测量定程圆柱共鸣腔在测定玻尔兹曼常数的实验中已应用成等方面有广泛的应用1-4]。而声学共鸣法需要通过激发和接收熟，故实验采用了圆柱腔作为腔体。腔体内的理想声学共鸣频声学信号，测量其共鸣模式的频率。为了获

7、得精确的测量值，率是声学共鸣法测量的关键参数之一。一方面激发声波的传感器的驱动能力要大，以提高测量声学共对于如图1所示的长度为三，半径为a的定程圆柱声学共振频率的信噪比；另一方面，接收声波的传感器也需要有高的鸣腔，其声波的轴向非缔合理想共鸣频率为灵敏度。fo瓦cl(1)课题组在测定波尔兹曼常数的研究中，已经较为成熟式中Z为声波的轴向特征数，l=1，2，⋯⋯，纯轴向模式表示为地运用了压电陶瓷传感器和端盖薄膜的方法来代替被国外同行广泛使用的电容式麦克风，并获得较好的实验结果。由于在(1。。)。测定k的实验中，腔体的端盖材

8、料由石英制作而成，无法在其端面上制作螺纹来安装麦克风，因此，需分析是否是由于声学传感器不同而导致k测量不确定度比国外(采用球形腔结合电容式麦克风)的大，从而进一步提高k测量精度、减小其不确度来源。另外，在声学温度计应用于高温环境的探索研究图1圆柱共鸣腔体示意图中，需要结合两种声学传感器对声学导管进行研究，因此，对考虑非理想因素扰动，实测共鸣频率