瞬態(tài)表面高溫測(cè)量與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)研究.pdf

1、溫度在科研和生產(chǎn)中是一個(gè)十分重要的物理量，在國(guó)際單位制七個(gè)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(cè)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(jì)等在技術(shù)上已經(jīng)成熟，它們能滿(mǎn)足一般應(yīng)用場(chǎng)合的要求，但在武器的研制和生產(chǎn)中，有許多研究對(duì)象需要測(cè)量的是瞬態(tài)溫度，其工作特點(diǎn)是溫度高，變化快，常為不可重復(fù)的一次性過(guò)程，因此，測(cè)量條件非常惡劣，技術(shù)難度很高。人們對(duì)瞬態(tài)高溫的測(cè)量給予了高度重視，為了能夠滿(mǎn)

2、足實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、快速和準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)顯得越來(lái)越重要。 在瞬態(tài)溫度測(cè)量中，溫度隨時(shí)間迅速變化，由于測(cè)溫傳感器感溫件的熱慣性和有限熱傳導(dǎo)，測(cè)出的溫度與實(shí)際溫度存在差別，即所謂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差。研究瞬態(tài)高溫傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的目的就在于利用可溯源的、快速變化的溫度信號(hào)來(lái)探明各類(lèi)溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行修正使之更接近于真實(shí)的溫度信號(hào)，從而達(dá)到減少動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差的目的。把溫度動(dòng)態(tài)參量溯源到國(guó)家的基本計(jì)量基準(zhǔn)，是進(jìn)行

3、精確動(dòng)態(tài)測(cè)量的基礎(chǔ)。 在以往的瞬態(tài)高溫測(cè)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(lán)寶石光纖黑體腔傳感器能在惡劣的環(huán)境下工作，測(cè)溫范圍為900℃～1900℃，響應(yīng)時(shí)間在10-2s數(shù)量級(jí)。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(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)現(xiàn)了傳感器的靜態(tài)標(biāo)定，以

4、高功率CO2激光脈沖作為溫度傳感器的激勵(lì)源對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)標(biāo)定，從而解決了此類(lèi)傳感器在工程應(yīng)用中的標(biāo)定問(wèn)題，為藍(lán)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(cè)量了氧乙炔焰和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽焰溫度以及某導(dǎo)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(lì)源，用脈沖激光加熱被校傳感器，表面產(chǎn)生一個(gè)快速升溫的變化溫度信號(hào)，用高速紅外探測(cè)器測(cè)得的溫度信號(hào)對(duì)被校傳感器進(jìn)行可溯源

5、高溫動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的新原理。由于前者的頻率響應(yīng)特性?xún)?yōu)于后者，因此以前者的響應(yīng)作為真值來(lái)校準(zhǔn)后者并獲取系統(tǒng)誤差的修正值。用對(duì)CO2激光器輸出10.6μm激光有良好響應(yīng)的碲鎘汞紅外探測(cè)器對(duì)CO2激光器所激發(fā)的表面溫度上升時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，并利用此動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)試了幾種不同熱電偶的響應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)證明此校準(zhǔn)系統(tǒng)可以用來(lái)校準(zhǔn)亞毫秒量級(jí)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(jìn)行紅外探測(cè)器的靜態(tài)標(biāo)定和被校溫度傳感器動(dòng)

6、態(tài)校準(zhǔn)，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(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的溯源難題。通過(guò)分析橢圓球面反射鏡聚焦成像特性的幾何光學(xué)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(xué)仿真軟件對(duì)球面反射鏡組成的紅外光學(xué)裝置進(jìn)行了模擬仿真，可以看到發(fā)光源發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)球面鏡反射之后，在紅外探測(cè)器上聚焦像的直徑為3.65mm，說(shuō)明所建數(shù)學(xué)模型是合理的；