回忆超声技术的研究与应用
清华大学物理系教授 周铁英
从1960年全国大搞超声波开始，我与声学结下了不解之缘。之后聆听了声学所马大猷院士的课程，协助诸国桢教授建立声学室，从那时起，至今我几乎主要精力是搞声学科研与教学，特别是对于超声技术的研究与应用，留下了难以忘却的记忆。
或许声学的应用性太强，亦或因我受“学以致用”的影响太甚，使我在声学领域的主要研究的课题都是围绕重大应用前沿开展的。在两项有重大意义的课题中我做了一些工作，使古老的声学在高新技术中得到成功应用，如：研究了低温堆控制棒棒位和水位控制系统中的耐高温耐辐射超声传感器，传感器随时监测水位和棒位，使低温堆长了慧眼，至今运行已过10年，确保了低温堆的正常运行。再如：高精度声速测试仪的研制成功，为试制替代氟里昂的绿色气体（134a，32，2271a，三氟碘甲烷等）已经测试诊断了近8年的热物性参数，这两项的主体项目，一项是国家“七五”重点攻关课题，一项是国家计委“八五”重点攻关课题。两项皆研究成功，均获得国家教委科技进步一等奖，低温堆还获得国家科技进步一等奖，并申请到发明专利。此外，1989年我们在校科研处的支持下，首先在国内开展了超声电机的研究，并且第一个获得自然科学基金的资助（先后获得6项），第一个申请到超声电机的国家发明专利（已获得3项），在国内微电机家族中超声电机这个新生儿诞生了。
1、低温堆的慧眼--高温高压耐辐射超声传感器的研制
5兆瓦堆是一种安全性、可靠性很高的新堆型。它有两大创新点：一是一体化自然循环壳式供热堆，一是所采用的新型水力驱动控制棒。控制棒是控制反应堆功率、保证反应堆安全的关键部件。核能所发明的新型对孔式步进缸的传动系统采用超声声纳原理定位控制是最佳选择方案。1985年核研院委托物理系研制用于低温堆控制棒棒位和水位检测的超声控制系统，检测高度1.0-1.2米,检测精度±0.003米。其中的关键技术是能在堆内安放，耐高温200度，耐高压20大气压，耐中子和γ射线辐照，以及长达5000小时寿命的超声传感器，共需约40个。当时面临无技术资料可借鉴，一切从实验做起的局面，既有风险也是挑战。经声学组反复考虑，认为这是我国有自主知识产权的低温堆，是具有自动安全保护的新型低温堆，作为低温堆的眼睛-超声传感器起着举足轻重的作用。如果求外国人承担，时间长，耗资大，难配合。为此，在当时系主任熊家炯教授的支持下、我接下了这一重任。之后，本系刘梦林，黄哲林，王风林先后参加了部分研究工作，大家团结一致，克服困难，圆满完成了任务。
超声传感器要进堆，首先要用堆内允许的材料，外壳使用1Cr18Ni9Ti不锈钢，引线用退火的不锈钢丝陶瓷密封。压电陶瓷片用直径20mm厚1mm的耐辐射铌基PZT。压电片安放在骨架内，骨架用可加工陶瓷制成。加压螺丝通过骨架把压电片的辐射面紧压到不锈钢外壳的前辐射端面内。
为了确保安全，首先对压电片的高温耐辐射性能进行试验。我选了几种居里点高于370度的压电片，用放射源辐照足够的剂量，测量辐照前后的压电性能，实验发现辐照后性能少有提高。这一实验增强了我的信心。应该说，解决了进堆的第一关。第二步是安装关。为了提高传感器的可靠性，要在φ30X60mm的外壳内安装3个晶片，这相当于3个传感器。3个传感器可以采用并联工作方式，也可以巡回检测3取2。这是反应堆安全运行规则的要求，但这大大增加了安装的难度。为了使每个压电陶瓷晶片有相同的灵敏度，我们采用整片研磨，蒸镀金电极，用超声加工机将每片切成3个扇形片的方法，解决了这一难题。组装传感器的过程采用在线检测，控制加压的独创工艺，使近40多个传感器灵敏度基本达到一致。
进堆前我们对所研制的传感器进行了严格的实验，抽出3只传感器，整整在高温200度的环境下运行了200多天，5000小时，再将其放入运行的大反应堆内进行辐照，测定其性能基本稳定，我们才放心。另外从5兆瓦供热堆控制棒水力驱动系统开始研制起，超声测位传感器就作为位置指示器成为它的主要检测设备；之后又在水力步进缸高温试验台上进行步进寿命实验时（工况接近实用），连续运行10万步，超声传感器指示无误。证明我们研制的传感器能进堆。
1989年12月我们研制的传感器进堆了。10年过去了，作为低温堆的慧眼，至今这些传感器继续指示着控制棒的棒位，堆内的水位和管道的状况。回忆这段经历，我们为能参加低温堆的建设而骄傲。
2、绿色气体诊断仪－高精度声速仪的研制
“八五”计委重点攻关项目ZFC-12替代物HFC-134a的热力学物性研究下达给热能系。比热等热物性测量需要测试气体在不同温度和压力条件下的声速。当时国内没有现成的精密测声速的仪器。国外资料提供的测试方案复杂，国内无法实现。1993年热能系课题组负责人朱明善教授要求我帮助解决高压工况条件下在密封室内高精度（10-5）测声速。声速与气体的热物性参数比热比紧密相连。只有知道了气体的热物理参数，才能研究用绿色气体（134a等）替代氟里昂。我研究比较了几种方案后，决定放弃国外资料介绍的方法。根据我的经验选用了晶振分频提供超声换能器电信号，用两个一维夹心结构换能器分别发射和接收声信号的方案解决了问题。一维夹心结构换能器的优点是性能稳定，频率易调正，而且可以把体积做得小巧，易于安装。一般晶振频率稳定性达到10－4以上，100分频后的频率稳定性可以达到10-6。
我选用的晶振分频后的频率为126KHz。这样问题的关键就转化为晶振分频后的频率应与换能器的共振频率接近，为此我研究制作了两个一维夹心换能器，使其共振频率尽量接近126KHz。这既可保证频率精度达到10－6以上，又可以保证足够的信号灵敏度。因为“声速＝频率×波长”，因此测量波长的精度必须保证10－5。当时国内已有双频激光干涉仪，但测量精度是10－4。因此必须利用多个波长（10个以上）减少测量误差。我选用相位法每次测量20个波长，使得波长的测量精度保证小于10－5。这样利用“声速＝频率×波长”即可得到所要求的声速精度。
声速仪性能稳定，测量可靠，物美价廉，使用方便。它为研制替代氟里昂的绿色气体（134a，32，2271a，三氟碘甲烷等）的诞生已经测试诊断了七、八年。如今，声速仪设备运行正常，保证了绿色气体的继续研制问世。
目前所研制的绿色气体已经投产，并已逐步用于冰箱、空调等设备。这既保护了环境，也保护了人的健康。
回忆这段经历，使我更增强了对科技是生产力的理解，也促使我将更多的精力用于技术基础研究与技术应用研究的结合。
3．超声电机-微电机家族中的新生儿
超声波电机也称为超声马达，它是一种新型电机,基本原理是利用压电材料的逆压电效应使定子表面产生一定轨迹的运动,进而通过摩擦耦合将振动能转换成转子或滑块的动能。
1973年美国IBM公司的H.V.Barth和苏联的V.V.Lavrinenco提出了几种压电电机结构。之后,美国研制成功压电蠕动电机,它的运动过程类似小虫蠕动，其分辨率在纳米量级。这种电机在扫描隧道显微镜(STM)(1986年获诺贝尔奖)中获得成功的应用。但真正达到商业应用水平的超声电机则是由日本人指田年生等于1982年研制的，自1990年开始使用在佳能相机中的环型行波超声电机。
超声电机（USM）与电磁电机相比存在一些显而易见的优点，如: 大力矩密度（是电磁电机的2－3倍）；低噪音运行（小于20分贝）；低速（每分钟数转至数百转）,不需减速箱可直接驱动；自保持力矩大（因为靠振动摩擦驱动，不工作时靠静摩擦力自保持）；惯性小,响应快（响应时间小于1ms）；大力矩时效率高（40％以上）；不怕也不产生磁干扰；结构简单加工容易等等。如果结构设计合理，应用选择得当，则可和电磁电机取长补短，使超声电机获得广泛而有效的应用。目前预计的应用有：
机器人与民用驱动器，精密定位驱动器，微机械驱动器，航天机械用电机等。超声电极恰好可以在低速下工作且无需润滑油，因而作为航天领域的驱动机械具有很大的应用价值。
物理系是1989年得到学校科研处的支持在国内率先开展超声电机研究的。先后培养了我国在超声电机领域的第一位硕士，后与张孝文校长、李龙土院士合作培养了国内这一领域的第一位博士，该博士留校后到材料系工作，现去美国超声电机研究中心做访问学者。物理系也是最早获得国家自然科学基金资助进行超声电机研究的单位，目前在超声电机研究方面仍处于国内领先水平，并赢得国内外的赞同。超声电机的下列新技术是我们在国内首先开展研究的。
1、 精密定位压电超声电机的研制
超声振子箝位直线式超声电机的研制：这是董蜀湘的硕士论文题目，也是国内第一次直接研制超声电机。用超声振子箝位比静态箝位易加工，国际上也是第一次尝试。电机运动类似于蠕动电机，它是在超声调制的箝位振子上加时序电路，控制电机运动步距，其分辨率达到纳米量级，推力2N，可用于精密定位。并已申请到国家发明专利（1989年）。论文发表在1992年14届国际声学会议论文集及1993年声学学报上。
2、 电流变－压电直线和旋转步进电机的研制：这是超声蠕动步进电机的新原理和新概念。我与张孝文校长，李龙土院士共同指导博士生董蜀湘开展了电流变－压电电机的研究。电流变材料是将电解质颗粒（如淀粉、滑石粉、液晶等粉状物）悬浮在水或油中制成。它的特性是，无电场时，呈现流体性质；在电场的作用下呈现准固态性质。我校精仪系孟永刚副教授举行过几次关于电流变材料的学术沙龙，给予我们启发。董蜀湘博士利用电流变材料研制出压电电流变蠕动电机，它是利用电流变材料作为箝位器，压电材料作为驱动器，在时序电路的控制下，使之蠕动式步进。我们共申报了两项发明专利。一项是电流变－压电直线步进电机，另一项是电流变－压电旋转步进电机。这在压电超声电机的新概念上处于国际领先。在1992年国际电子元件与材料会议上（ICECM），应邀由李龙土教授在大会上做了报告并收录到会议论文集，1997年国际超声会议上日本声学学会会长上羽贞行宣布了我们的发明，给予了很高的评价。
环型行波超声电机：这是硕士刘呈贵的研究课题。电极直径17mm，高5mm，转速每分钟170转，堵转矩0.01Nm，1991年研制成功。研究中我们发现水停留在驻波波幅位置，与小颗粒停在驻波波节有明显区别。我们用水观测了电机的振动模态，测量了运动性能。
中空结构环型行波超声电机：外径70mm内经56mm高20mm，转速每分4－10转，力矩0.15Nm,分辨率0.95分，1996-1999年有硕士生和大学生连续研究改进，1998年中央电视台拍摄成科技博览，并已多次放映。现正准备审定和进一步产品化。
3、36晶片双框架二维微动台：应单原子测控的急需，为了扩大扫描范围，1992年春我和田家禾教授参考国外单框架微动台提出了双框架二维微动台的新方案。之后我与董蜀湘博士共同制作时，可费了不少周折。框架是用90×90×9mm的钢块，采用电火花切成厚0.5mm的16片连接成一体的框架，电加工后锈层又厚又硬，去锈是请化学系徐功华教授指导的。为了使清洗后的框架不再生锈，我和小董轮换着用两手端着浸泡在强碱溶液中的框架从化学馆二楼一直走到二院声学实验室的（约一里路）。在每片的两面需粘贴厚0.4mm的压电片。为了保证工艺条件的一致性，我们又从晚18时连续工作到第二天凌晨3时。当32个晶片安放在一个完整的双框架上时，我们高兴万分。经测试双框架二维微动台的分辨率纳米量级，扫描范围150×150微米，达到了设计指标。已申报实用新型专利，并于1992年秋应用于激光单原子测控工作台对微小样品进行测控。
此外我们先后创造性地研制了直线自走式切纵超声电机，能自行在导轨上前进，推力数百克，速度每秒2－3厘米。三梁纵弯扭驻波超声电机，每分钟旋转300转，力矩达0.01Nm。环型行波超声小电机，直径27mm，高10mm。自校正式超声直线和旋转电机，利用特制的转子,使定子在行波时驱动转子运动,在驻波时使转子停在特定的位置，实现电机的开环控制，具有自校正功能。弯曲振动驻波超声微电机，直径3mm高5mm，转速每分钟1000转。扭纵频率兼并式驻波超声微电机，直径12.6mm，高30mm，转速每分钟200转，具有高功率密度，最大转矩0.08Nm。
在超声电机研究方面，我们先后发表论文40多篇。其中SCI和EI分别收录1篇和10篇。
近年来，随着国际上超声电机研究热潮的兴起，国内的超声电机研究也有了迅猛的发展。但与国外尤其是日本的超声电机技术相比，我们还有着很大的差距。90年代美国的宾州大学、斯坦福大学分别建立了传感器和致动器研究中心，MIT成立了超声电机研究中心。美国JPL实验室已将超声电机送到火星进行环境实验，美国计划生产10亿台超声电机，以便尽快超过日本。
回忆十年来对超声电机的研究使我们深刻地认识到我国的超声电机研究工作正处于一个理论上需系统化、电机研究样机需产品化的关键时刻。自从发生了以美国为首的北约对我驻南大使馆进行野蛮轰炸的事件后，我们更清楚地认识到“世界上有些先进的技术是买不来的”，深知我国应大力发展自己的超声电机技术，而作为国内超声电机研究方面的先行者，我们有责任也有义务担负起振兴我国超声电机事业的任务。如何把成果用于生产实际换许多方面付出巨大的努力。
超声技术研究与应用的回忆，使我感受到只有创新和勤奋工作，技术水平才能高超，才能有国家的荣誉和个人的幸福。更自豪的是现在有许多年轻学子进入了超声研究领域，我想，我们的研究工作将会得到更快的进展。
