瞬態(tài)表面高溫測量與動態(tài)校準技術(shù)研究.pdf

1、溫度在科研和生產(chǎn)中是一個十分重要的物理量，在國際單位制七個基本單位中就包括溫度單位。溫度概念的建立以及溫度的測量，都是以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。目前，主要的溫度傳感器，如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計等在技術(shù)上已經(jīng)成熟，它們能滿足一般應(yīng)用場合的要求，但在武器的研制和生產(chǎn)中，有許多研究對象需要測量的是瞬態(tài)溫度，其工作特點是溫度高，變化快，常為不可重復(fù)的一次性過程，因此，測量條件非常惡劣，技術(shù)難度很高。人們對瞬態(tài)高溫的測量給予了高度重視，為了能夠滿

2、足實時、在線、快速和準確測量，對溫度傳感器進行動態(tài)校準顯得越來越重要。 在瞬態(tài)溫度測量中，溫度隨時間迅速變化，由于測溫傳感器感溫件的熱慣性和有限熱傳導，測出的溫度與實際溫度存在差別，即所謂的動態(tài)響應(yīng)誤差。研究瞬態(tài)高溫傳感器動態(tài)校準的目的就在于利用可溯源的、快速變化的溫度信號來探明各類溫度傳感器的動態(tài)響應(yīng)，并對測溫結(jié)果進行修正使之更接近于真實的溫度信號，從而達到減少動態(tài)響應(yīng)誤差的目的。把溫度動態(tài)參量溯源到國家的基本計量基準，是進行

3、精確動態(tài)測量的基礎(chǔ)。 在以往的瞬態(tài)高溫測量中，主要著眼于其高溫傳感性能，很少涉及瞬態(tài)特性的研究。作者研制的基于普朗克輻射定律的藍寶石光纖黑體腔傳感器能在惡劣的環(huán)境下工作，測溫范圍為900℃～1900℃，響應(yīng)時間在10-2s數(shù)量級。文中分析了黑體腔陶瓷膜層材料熱物性與響應(yīng)速度間的關(guān)系，理論和實驗結(jié)果都表明：黑體腔膜層厚度越小，其熱響應(yīng)速度越快；設(shè)計了能適應(yīng)惡劣環(huán)境工作的傳感器鎧裝結(jié)構(gòu)；采用高溫均熱金屬熔池實現(xiàn)了傳感器的靜態(tài)標定，以

4、高功率CO2激光脈沖作為溫度傳感器的激勵源對其進行了動態(tài)標定，從而解決了此類傳感器在工程應(yīng)用中的標定問題，為藍寶石黑體腔瞬態(tài)高溫傳感器工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。利用該瞬態(tài)高溫傳感器成功地測量了氧乙炔焰和火箭發(fā)動機羽焰溫度以及某導彈發(fā)射箱前框的瞬態(tài)表面高溫。 在此基礎(chǔ)上，提出了一種利用可高頻調(diào)制的高功率CO2激光作為激勵源，用脈沖激光加熱被校傳感器，表面產(chǎn)生一個快速升溫的變化溫度信號，用高速紅外探測器測得的溫度信號對被校傳感器進行可溯源

5、高溫動態(tài)校準的新原理。由于前者的頻率響應(yīng)特性優(yōu)于后者，因此以前者的響應(yīng)作為真值來校準后者并獲取系統(tǒng)誤差的修正值。用對CO2激光器輸出10.6μm激光有良好響應(yīng)的碲鎘汞紅外探測器對CO2激光器所激發(fā)的表面溫度上升時間進行了測試，并利用此動態(tài)校準系統(tǒng)測試了幾種不同熱電偶的響應(yīng)時間。實驗證明此校準系統(tǒng)可以用來校準亞毫秒量級的瞬態(tài)表面溫度傳感器。 用同一激光器發(fā)出的連續(xù)激光和脈沖激光在同一系統(tǒng)中進行紅外探測器的靜態(tài)標定和被校溫度傳感器動

6、態(tài)校準，避免了因傳感器安裝環(huán)境差異及熱物性的變化所產(chǎn)生的誤差，解決了溫度動態(tài)校準的溯源難題。通過分析橢圓球面反射鏡聚焦成像特性的幾何光學模型，得出在像差允許的范圍內(nèi)，可以用球面反射鏡代替橢圓球面反射鏡，在所需要的半徑(即177mm)要求下兩者匯聚效果相差不大；用ZEMAX光學仿真軟件對球面反射鏡組成的紅外光學裝置進行了模擬仿真，可以看到發(fā)光源發(fā)出的光線經(jīng)球面鏡反射之后，在紅外探測器上聚焦像的直徑為3.65mm，說明所建數(shù)學模型是合理的；