基于脉冲热流激励的戈登式热流传感器动态测试_黄漫国.pdf

智能感知与仪器仪表测控技术2023 年第 42 卷第 2 期收稿日期:2021 06 02引用格式:黄漫国，师钰璋，梁晓波，等 基于脉冲热流激励的戈登式热流传感器动态测试 J 测控技术，2023，42(2):19 23HUANG M G，SHI Y Z，LIANG X B，et al Dynamic Test of Gardon Heat Flux Sensor Based on Pulse Heat Flux Excitation J Measurement Control Technology，2023，42(2):19 23基于脉冲热流激励的戈登式热流传感器动态测试黄漫国1，2，师钰璋3，梁晓波1，2，李欣1，2，刘云东3，王高3(1 航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京101111;2 状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京101111;3 中北大学，山西 太原030051)摘要:由于薄膜热流传感器耐温上限高、体积小且响应速度快，传统方法无法满足其动态测试需求，因此提出了一种以激光器为热源的动态测试方法，该方法具有功耗低、响应速度快以及能够提供高热流等优点。设计搭建了基于高功率光纤输出半导体激光器的热流传感器动态测试系统，主要由激光器、微透镜光斑均匀化系统、热流传感器和数据采集系统组成。为了研究在不同脉冲宽度条件下传感器的时间常数的变化，选用了具有能够直接测量辐射热流、吸收全光谱范围的能量以及响应时间短等优点的戈登式热流传感器(Gardon 计)对热流传感器动态测试系统进行了测试。利用系统完成了 GD-B4-200K 型 Gar-don 计在脉冲热流激励信号下的动态测试，分析了5 ms、10 ms、15 ms、20 ms 和30 ms 脉冲宽度条件下传感器的时间常数的变化。最终得出在脉冲激励下，脉冲激励信号的脉冲宽度应小于传感器时间常数一个数量级的结论，因此需要对脉冲宽度进行严格精确的控制。未来，系统可有效解决航空、航天等诸多领域内的高速辐射热流传感器动态测试问题。关键词:热流传感器;动态测试;脉冲热流激励;时间常数中图分类号:TP212 1;V24文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0019 05doi:10 19708/j ckjs 2022 01 207Dynamic Test of Gardon Heat Flux Sensor Based on Pulse Heat Flux ExcitationHUANG Man-guo1，2，SHI Yu-zhang3，LIANG Xiao-bo1，2，LI Xin1，2，LIU Yun-dong3，WANG Gao3(1 AVIC Beijing Changcheng Aeronautical Measurement and Control Technology esearch Institute，Beijing 101111，China;2 Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Special Condition Monitoring Sensor Technology，Beijing 101111，China;3 North University of China，Taiyuan 030051，China)Abstract:Due to the high temperature limit，small volume and fast response speed of thin-film heat flux sen-sor，traditional methods cant meet its dynamic testing requirements Therefore，a dynamic test method using la-ser as heat source is proposed，which has the advantages of low power consumption，fast response speed andhigh heat flux The dynamic test system of heat flux sensor based on high power fiber output semiconductor la-ser is studied and built，which is mainly composed of laser，micro lens spot homogenization system，heat fluxsensor and data acquisition system In order to study the change of the time constant of the sensor under differ-ent pulse widths，the Gardon heat flux sensor，which has the advantages of direct measurement of radiant heatflux，absorption of energy in the full spectral range and short response time，is selected to test the dynamic testsystem of the heat flux sensor The dynamic test of GD-B4-200K heat flux sensor under pulse heat flux excita-tion signal is completed by using the system，and the change of the time constant of the sensor under differentpulse widths of 5 ms，10 ms，15 ms，20 ms and 30 ms are analyzed Finally，it is concluded that under pulse ex-citation，the pulse width of pulse excitation signal should be less than one order of magnitude of sensor time91constant，so it is necessary to strictly and accurately control the pulse width In the future，the system can effec-tively solve the dynamic testing problems of high-speed radiative heat flux sensors in many fields such as avia-tion and aerospaceKey words:heat flux sensor;dynamics test;pulse heat flux excitation;time constant近年来，随着世界各国在高超声速飞行器领域的竞争，针对热流传感器的研究成为热点之一1 5。飞行器的热防护离不开表面热流的精确测量，由于薄膜热流传感器具有尺寸小、干扰小、热容量小、不破坏飞行器表面气流等特点，故为飞行器表面热流测量提供了新的测量方法。1997 年，美国路易斯研究中心的 Stefanescu 等6 以 20 mW He-Ne 激光器为热源，利用带有 240 个光圈的斩光器对热源进行调制，完成了传感器的动态标定。2005 年，北京工业大学的李超7 研制了基于热传导的一种薄膜瞬态热流计，以钨丝卤素灯为热源，采取突然开启、关闭热源的方式对传感器进行了瞬态测试，测得时间常数为 0 063 s。2019 年，北京工业大学的罗潇等8 制备了一种可以实现温度与热流同时测量的薄膜热流传感器，并且利用迅速投掷法，测试了传感器瞬态特性。以上方法可以实现对热流传感器动态特性的测试校准，但是所用方法中，热源所产生的热流值较低，且仅能完成低响应热流传感器的标定。薄膜热流传感器具有耐高温、体积小和响应速度快的特点，传统热风洞法9、激波管法10 和卤素灯法11 等难以满足测试需求。意大利航空研究中心 Martucci 等12 利用激光器完成了戈登式热流传感器(Gardon 计)的标定实验研究，结果说明激光器可以作为热流传感器动态校准的热流激励源。此外，激光器作为热流源具有低功耗、短时间产生 MW/m2级大热流、输出热流值精确可控、能量利用率高、操作安全等优点。由于薄膜热流传感器具有快速响应的特性，传统标定方法产生的热流阶跃信号与传感器动态特性并不相符，然而激光可以在超短时间内使材料表面产生瞬时温升，所以本文采用高功率光纤输出半导体激光器作为热流传感器的热流激励源，设计搭建了热流传感器动态测试系统。为了研究在不同脉冲宽度条件下传感器的时间常数的变化，本次实验选择脉冲函数形式的信号为激励信号、型号为 GD-B4-200K 的 Gardon 计进行动态测试，利用 Z-t 变换数学工具完成时间常数的计算，并分析了不同热流脉冲激励宽度的情况下时间常数的变化情况。通过分析不同热流脉宽条件下GD-B4-200K 型 Gardon 计的时间常数值，确定了传感器动态标定时激励源脉冲宽度的量值选取范围。1Gardon 计动态测试理论分析1 1Gardon 计结构Gardon 计由铜热沉体、康铜圆箔片和细铜丝 3 个主要部分组成。通过嵌入、按压等工艺将康铜圆箔片安装在无氧铜热沉体表面;圆箔片与细铜线是利用钎焊的工艺焊接在一起，构成一对铜 康铜 T 型热电偶，改变使用的焊料可以提高热流测量上限;康铜圆箔边缘与无氧铜热沉体接触，构成另一对 T 型热电偶，两对 T 型热电偶的反向串联热电势作为输出电势。两对热电偶分别测量康铜圆箔片中心与边缘的温度，获得两者的温差即可利用公式推断出作用于圆箔片表面的热流值。陶瓷材料填充物起到隔热、绝缘和固定细铜丝的作用，图 1 为 Gardon 计结构图。图 1Gardon 计结构图当康铜圆箔片厚度达到 m 级、圆箔片直径达到mm 级时，可以满足入射热流为一维稳态热流这一假设，使得圆箔片横向方向几乎没有温度梯度，而只在径向方向有温度梯度。圆箔片表面覆盖一层黑色的高吸收率涂料层，主要用于改变 Gardon 计热辐射或对流传热的响应特性，拓宽光谱响应范围。常见的涂料层材料有乙炔烟灰(吸收率 =0 99)、樟脑烟灰(=0.98)、黑漆喷射涂层(=0 94 0 98)和胶态石墨涂层(=0 83)13。在实验开始前，首先对所使用的传感器进行检验，利用数字万用表电阻挡测量 Gardon 计两个输出端电阻值来判断传感器是否损坏，阻值为固定值 级;如果传感器损坏，则阻值将变为无穷大。实验前，需要计02测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期算判断热流传感器是否会损坏，加载热流激励不能超出量程，并且敏感面温度要小于材料熔点温度，防止传感器发生损坏。本次实验所用 GD-B4-200K 型 Gardon 计具有能够直接测量辐射热流、吸收全光谱范围的能量和响应时间短等优点，所测热流上限为200 kW/m2，康铜圆箔厚度和直径分别为 200 m 和 5 mm，热流传感器敏感面材料熔点温度为 200 左右。GD-B4-200K 型 Gardon计实物如图 2 所示。图 2GD-B4-200K 型 Gardon 计实物图1 2传感器动态测试理论分析通过分析 Gardon 计的结构特点，结合理论和实际经验，并考虑其热惯性的存在，可以将其视为一阶系统进行研究。时间常数是传感器最重要的动态特性参数之一。在频域要保证脉冲激励信号频率能够覆盖被标定传感器所有模态频率，即对应时域的激励信号脉冲宽度足够窄。相对于