基于脈沖熱流激勵(lì)的戈登式熱流傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試

黃漫國, 師鈺璋, 梁曉波, 李 欣, 劉云東, 王 高

(1.航空工業(yè)北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測(cè)特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101111;3.中北大學(xué)，山西 太原 030051)

近年來，隨著世界各國在高超聲速飛行器領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，針對(duì)熱流傳感器的研究成為熱點(diǎn)之一[1-5]。飛行器的熱防護(hù)離不開表面熱流的精確測(cè)量，由于薄膜熱流傳感器具有尺寸小、干擾小、熱容量小、不破壞飛行器表面氣流等特點(diǎn)，故為飛行器表面熱流測(cè)量提供了新的測(cè)量方法。

1997年，美國路易斯研究中心的Stefanescu等[6]以20 mW He-Ne激光器為熱源，利用帶有240個(gè)光圈的斬光器對(duì)熱源進(jìn)行調(diào)制，完成了傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。2005年，北京工業(yè)大學(xué)的李超[7]研制了基于熱傳導(dǎo)的一種薄膜瞬態(tài)熱流計(jì)，以鎢絲鹵素?zé)魹闊嵩?，采取突然開啟、關(guān)閉熱源的方式對(duì)傳感器進(jìn)行了瞬態(tài)測(cè)試，測(cè)得時(shí)間常數(shù)為0.063 s。2019年，北京工業(yè)大學(xué)的羅瀟等[8]制備了一種可以實(shí)現(xiàn)溫度與熱流同時(shí)測(cè)量的薄膜熱流傳感器，并且利用迅速投擲法，測(cè)試了傳感器瞬態(tài)特性。

以上方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱流傳感器動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試校準(zhǔn)，但是所用方法中，熱源所產(chǎn)生的熱流值較低，且僅能完成低響應(yīng)熱流傳感器的標(biāo)定。薄膜熱流傳感器具有耐高溫、體積小和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，傳統(tǒng)熱風(fēng)洞法[9]、激波管法[10]和鹵素?zé)舴╗11]等難以滿足測(cè)試需求。

意大利航空研究中心Martucci等[12]利用激光器完成了戈登式熱流傳感器(Gardon計(jì))的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果說明激光器可以作為熱流傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的熱流激勵(lì)源。此外，激光器作為熱流源具有低功耗、短時(shí)間產(chǎn)生MW/m2級(jí)大熱流、輸出熱流值精確可控、能量利用率高、操作安全等優(yōu)點(diǎn)。

由于薄膜熱流傳感器具有快速響應(yīng)的特性，傳統(tǒng)標(biāo)定方法產(chǎn)生的熱流階躍信號(hào)與傳感器動(dòng)態(tài)特性并不相符，然而激光可以在超短時(shí)間內(nèi)使材料表面產(chǎn)生瞬時(shí)溫升，所以本文采用高功率光纖輸出半導(dǎo)體激光器作為熱流傳感器的熱流激勵(lì)源，設(shè)計(jì)搭建了熱流傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。為了研究在不同脈沖寬度條件下傳感器的時(shí)間常數(shù)的變化，本次實(shí)驗(yàn)選擇脈沖函數(shù)形式的信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)、型號(hào)為GD-B4-200K的Gardon計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，利用Z-t變換數(shù)學(xué)工具完成時(shí)間常數(shù)的計(jì)算，并分析了不同熱流脈沖激勵(lì)寬度的情況下時(shí)間常數(shù)的變化情況。通過分析不同熱流脈寬條件下GD-B4-200K型Gardon計(jì)的時(shí)間常數(shù)值，確定了傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定時(shí)激勵(lì)源脈沖寬度的量值選取范圍。

1 Gardon計(jì)動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)碚摲治?/h2>

1.1 Gardon計(jì)結(jié)構(gòu)

Gardon計(jì)由銅熱沉體、康銅圓箔片和細(xì)銅絲3個(gè)主要部分組成。通過嵌入、按壓等工藝將康銅圓箔片安裝在無氧銅熱沉體表面；圓箔片與細(xì)銅線是利用釬焊的工藝焊接在一起，構(gòu)成一對(duì)銅-康銅T型熱電偶，改變使用的焊料可以提高熱流測(cè)量上限；康銅圓箔邊緣與無氧銅熱沉體接觸，構(gòu)成另一對(duì)T型熱電偶，兩對(duì)T型熱電偶的反向串聯(lián)熱電勢(shì)作為輸出電勢(shì)。兩對(duì)熱電偶分別測(cè)量康銅圓箔片中心與邊緣的溫度，獲得兩者的溫差即可利用公式推斷出作用于圓箔片表面的熱流值。陶瓷材料填充物起到隔熱、絕緣和固定細(xì)銅絲的作用，圖1為Gardon計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 Gardon計(jì)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)康銅圓箔片厚度達(dá)到μm級(jí)、圓箔片直徑達(dá)到mm級(jí)時(shí)，可以滿足入射熱流為一維穩(wěn)態(tài)熱流這一假設(shè)，使得圓箔片橫向方向幾乎沒有溫度梯度，而只在徑向方向有溫度梯度。圓箔片表面覆蓋一層黑色的高吸收率涂料層，主要用于改變Gardon計(jì)熱輻射或?qū)α鱾鳠岬捻憫?yīng)特性，拓寬光譜響應(yīng)范圍。常見的涂料層材料有乙炔煙灰(吸收率α=0.99)、樟腦煙灰(α=0.98)、黑漆噴射涂層(α=0.94～0.98)和膠態(tài)石墨涂層(α=0.83)[13]。

在實(shí)驗(yàn)開始前，首先對(duì)所使用的傳感器進(jìn)行檢驗(yàn)，利用數(shù)字萬用表電阻擋測(cè)量Gardon計(jì)兩個(gè)輸出端電阻值來判斷傳感器是否損壞，阻值為固定值Ω級(jí)；如果傳感器損壞，則阻值將變?yōu)闊o窮大。實(shí)驗(yàn)前，需要計(jì)算判斷熱流傳感器是否會(huì)損壞，加載熱流激勵(lì)不能超出量程，并且敏感面溫度要小于材料熔點(diǎn)溫度，防止傳感器發(fā)生損壞。

本次實(shí)驗(yàn)所用GD-B4-200K型Gardon計(jì)具有能夠直接測(cè)量輻射熱流、吸收全光譜范圍的能量和響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，所測(cè)熱流上限為200 kW/m2，康銅圓箔厚度和直徑分別為200 μm和5 mm，熱流傳感器敏感面材料熔點(diǎn)溫度為200 ℃左右。GD-B4-200K型Gardon計(jì)實(shí)物如圖2所示。

圖2 GD-B4-200K型Gardon計(jì)實(shí)物圖

1.2 傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)碚摲治?/h3>

通過分析Gardon計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并考慮其熱慣性的存在，可以將其視為一階系統(tǒng)進(jìn)行研究。

時(shí)間常數(shù)是傳感器最重要的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)之一。在頻域要保證脈沖激勵(lì)信號(hào)頻率能夠覆蓋被標(biāo)定傳感器所有模態(tài)頻率，即對(duì)應(yīng)時(shí)域的激勵(lì)信號(hào)脈沖寬度足夠窄。相對(duì)于傳感器時(shí)間常數(shù)，能夠?qū)⒓?lì)脈沖信號(hào)視為理想脈沖激勵(lì)，此時(shí)計(jì)算的時(shí)間常數(shù)更為精確科學(xué)。

Gardon計(jì)對(duì)單位脈沖熱流輸入的響應(yīng)為

(1)

式中：q為熱流傳感器輸出熱流值(W/cm2)；q0為熱流傳感器初始熱流值(W/cm2)；qe為單位脈沖熱流激勵(lì)輸入后熱流傳感器輸出熱流值(W/cm2)；t為單位脈沖熱流的響應(yīng)時(shí)間(s)；τ為熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間(s)。

單位脈沖響應(yīng)函數(shù)曲線如圖3所示，可表示為

(2)

傳統(tǒng)一階系統(tǒng)脈沖響應(yīng)時(shí)間常數(shù)計(jì)算方法中取響應(yīng)曲線下降沿中斜率最大的點(diǎn)的切線與時(shí)間軸的交點(diǎn)作為脈沖信號(hào)激勵(lì)的時(shí)間常數(shù)。此方法只利用了傳感器整個(gè)脈沖響應(yīng)曲線上的有限個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果誤差較大，不能在實(shí)際工程中應(yīng)用。

圖3 一階系統(tǒng)脈沖響應(yīng)曲線

本文采用Z-t變換來計(jì)算一階系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，使用到了系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的全部有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果更加精確。且可通過變換結(jié)果中Z-t曲線與理想直線的擬合程度來判斷被測(cè)系統(tǒng)是否為一階系統(tǒng)。

令Z=ln[y(t)]，式(1)便可轉(zhuǎn)化為Z-t曲線，圖4為傳感器Z-t變換擬合曲線?？傻脭M合曲線方程式為

(3)

則一階系統(tǒng)脈沖響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為

(4)

圖4 Z-t變換擬合曲線

通過上述方法便可精確計(jì)算熱流傳感器脈沖激勵(lì)下傳感器的時(shí)間常數(shù)。

2 動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)由光纖輸出半導(dǎo)體激光器、微透鏡光斑均勻化光學(xué)系統(tǒng)、Gardon計(jì)、THORLABS DET10A/M硅光電探測(cè)器、KLEIBER KMGA 740高速輻射溫度計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其中，光纖輸出半導(dǎo)體激光器通過QBH激光輸出頭準(zhǔn)直為平行光，由微透鏡均勻化陣列處理為能量均勻的光斑，并作用于熱流傳感敏感區(qū)域。另外，此次所用光纖輸出半導(dǎo)體激光器上升時(shí)間約為3.473 μs，計(jì)算得A類不確定度為0.30%，GD-B4-200K型Gardon計(jì)理論時(shí)間常數(shù)為上百ms，遠(yuǎn)大于激光器上升時(shí)間，所以此次激光器可以視為理想脈沖熱流激勵(lì)信號(hào)[14]。光電探測(cè)器上升時(shí)間為1 ns，用于接收熱流傳感器表面散射的脈沖激光信號(hào)。高速輻射溫度計(jì)可測(cè)溫度范圍為25～300 ℃，響應(yīng)時(shí)間為10 μs，用于監(jiān)測(cè)熱流傳感器表面溫度，防止傳感器敏感面的溫度過高導(dǎo)致?lián)p壞。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別與光電探測(cè)器、高速輻射溫度計(jì)和熱流傳感器連接，可實(shí)現(xiàn)3種信號(hào)的同步采集。脈沖信號(hào)激勵(lì)熱流傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的原理框圖和實(shí)物圖如圖5、圖6所示。

圖5 脈沖信號(hào)激勵(lì)熱流傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)原理圖

圖6 動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2 脈沖激勵(lì)下的響應(yīng)測(cè)試

為了更深層次地對(duì)圓箔熱流計(jì)理想脈沖激勵(lì)寬度進(jìn)行探索，設(shè)計(jì)了熱流計(jì)時(shí)間常數(shù)與激勵(lì)熱流信號(hào)脈沖寬度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出，調(diào)節(jié)激光器晶體管驅(qū)動(dòng)電路輸出不同寬度的脈沖電壓，從而控制激光器產(chǎn)生不同脈沖寬度的脈沖熱流激勵(lì)信號(hào)。

激光脈沖寬度小于傳感器時(shí)間常數(shù)一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，可以近似為理想的單位脈沖激勵(lì)源，從而激勵(lì)出熱流傳感器真實(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[15]，所以在激光器輸出功率相同的情況下，針對(duì)GD-B4-200K型Gardon計(jì)進(jìn)行脈沖激勵(lì)寬度分別為5 ms、10 ms、15 ms、20 ms和30 ms的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，用來對(duì)比說明在接近理想的條件下，脈沖寬度在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)傳感器時(shí)間常數(shù)的影響程度。其中，5 ms脈沖激勵(lì)下熱流傳感器脈沖響應(yīng)測(cè)試曲線如圖7所示，其中圖7(a)為5 ms激光脈沖激勵(lì)信號(hào);圖7(b)為傳感器脈沖響應(yīng)曲線;圖7(c)為脈沖響應(yīng)Z-t變換曲線。Z-t變換擬合方程為

y=-2.05x

(4)

通過Z-t變換擬合曲線得到相關(guān)系數(shù)R2為0.999，擬合方程斜率k為-2.05，計(jì)算得到時(shí)間常數(shù)為0.486 s。

圖7 脈沖激勵(lì)為5 ms的熱流傳感器脈沖響應(yīng)測(cè)試曲線

其余不同熱流脈沖激勵(lì)寬度下的熱流傳感器脈沖響應(yīng)測(cè)試與脈沖激勵(lì)寬度為5 ms下熱流傳感器脈沖響應(yīng)測(cè)試方式一致。由式(3)計(jì)算得到了不同脈沖寬度熱流激勵(lì)下GD-B4-200K型Gardon計(jì)的時(shí)間常數(shù)，具體數(shù)值如表1所示。

表1 不同激勵(lì)脈沖寬度下GD-B4-200K型Gardon計(jì)時(shí)間常數(shù)測(cè)量值

通過上述結(jié)果分析可知，激光激勵(lì)信號(hào)脈沖寬度的變化對(duì)傳感器時(shí)間常數(shù)沒有明顯的影響。當(dāng)傳感器時(shí)間常數(shù)比熱流激勵(lì)脈沖寬度大一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，熱流脈沖激勵(lì)可以作為理想沖激函數(shù)(δ函數(shù))形式的信號(hào)激勵(lì)。因此，在接近理想的條件下，脈沖寬度在一定范圍變化時(shí)，對(duì)傳感器時(shí)間常數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。在實(shí)際熱流脈沖激勵(lì)實(shí)驗(yàn)過程中，需要保證熱流激勵(lì)信號(hào)脈沖寬度小于傳感器時(shí)間常數(shù)一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此要嚴(yán)格精確地控制熱流脈沖激勵(lì)寬度。

3 結(jié)束語

隨著高超聲速飛行器的發(fā)展，熱阻式等薄膜熱流傳感器應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)基于熱風(fēng)洞、激波管和黑體爐的方法無法滿足測(cè)試需求。結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)，在分析激光器作為熱流源優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于高功率光纖輸出半導(dǎo)體激光器的輻射熱流傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。調(diào)制激光器產(chǎn)生脈沖熱流激勵(lì)信號(hào)，完成了GD-B4-200K型號(hào)熱流傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試。通過Z-t變換計(jì)算了其在不同脈沖寬度條件下的時(shí)間常數(shù)，獲得了理想熱流激勵(lì)脈沖寬度。此外，通過對(duì)Gardon計(jì)的測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。且系統(tǒng)可產(chǎn)生與航天器再入、高空飛行近似的高溫、高熱流環(huán)境，可精確測(cè)試相關(guān)熱流傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，從而有效解決高速輻射熱流傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試校準(zhǔn)問題。