熱流響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法研究

張俊祺 鄺浩欣 趙化業(yè) 裴雅鵬 劉 鑫 王文革 羅兆明

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076；2.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076)

1 引 言

熱流傳感器廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭和武器裝備中的研制、試驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)中，通過(guò)熱流傳感器測(cè)量尾焰熱流，可得到火箭燃料的燃燒熱量，為發(fā)動(dòng)機(jī)的控制和調(diào)整提供可靠的數(shù)據(jù)。在新材料的研制過(guò)程中，通過(guò)熱流傳感器測(cè)量材料的熱性能；在彈頭和材料的燒蝕試驗(yàn)中都需要熱流傳感器測(cè)量熱流；在火工品的研制過(guò)程中，也需要熱流傳感器測(cè)量火藥的爆炸熱流量，從而為火工品的研制提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[1～3]。

熱流傳感器通常包含三個(gè)參數(shù)：熱流傳感器的靈敏度、示值誤差和響應(yīng)時(shí)間。

我國(guó)從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始研制熱流傳感器的校準(zhǔn)裝置，經(jīng)過(guò)幾十年的工作，目前已經(jīng)研制了一系列的熱流傳感器的校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了熱流傳感器靈敏度和準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)[4～6]。而熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間一直無(wú)法測(cè)量校準(zhǔn)，只能使用生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的計(jì)算數(shù)據(jù)，但由于熱流傳感器在制造過(guò)程中工藝一致性較差，通過(guò)熱流傳感器的通用計(jì)算方法，很難得到與實(shí)際相符的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使得實(shí)際工作中測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度較差。

2 熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)量原理

熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間τ是熱流影響熱流傳感器測(cè)量速度的主要因素，也是衡量熱流傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試性能的重要指標(biāo)，確定熱流傳感器的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于保證動(dòng)態(tài)測(cè)量的準(zhǔn)確性具有非常重要的意義[7，8]。

熱流傳感器的響應(yīng)時(shí)間是由熱流傳感器的材料、結(jié)構(gòu)形式等因素決定。由于熱流傳感器熱慣性的存在，一般將其視為一階系統(tǒng)進(jìn)行研究，則熱流傳感器對(duì)階躍熱流輸入的響應(yīng)為

(1)

式中：q—熱流傳感器的顯示熱流值，W/cm2；q0—熱流傳感器的初始顯示熱流值，W/cm2；qe—階躍熱流輸入后熱流傳感器穩(wěn)態(tài)顯示熱流值，W/cm2；t—對(duì)階躍熱流的響應(yīng)時(shí)間，s；τ—熱流傳感器的響應(yīng)時(shí)間，s。

由公式(1)可以看出熱流傳感器的響應(yīng)時(shí)間是屬于典型的按指數(shù)變化量。當(dāng)t=τ時(shí)，則有

q-q0=(qe-q0)(1-e-1)=0.632(qe-q0)

(2)

即響應(yīng)時(shí)間是熱流傳感器的顯示熱流值q與初始顯示熱流值q0之差達(dá)到熱流階躍的63.2%所需的時(shí)間，如圖1所示。

圖1 熱流傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.1 Dynamic response curve of heat flux sensor

3 熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置

根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的定義，確定了采用高功率激光器作為標(biāo)準(zhǔn)熱流源，以標(biāo)準(zhǔn)輻射功率計(jì)作為輻射溫度標(biāo)準(zhǔn)，以高速水冷快門(mén)作為熱流階躍發(fā)生裝置，采用高速采集器進(jìn)行高速采集，對(duì)熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試的方案[9,10]。

熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置組成如圖2所示，該系統(tǒng)由激光熱流輻射源、標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器、水冷快門(mén)、冷卻系統(tǒng)、電動(dòng)平移臺(tái)、計(jì)算機(jī)控制與采集系統(tǒng)等組成。

圖2 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

激光熱流源采用一套大功率、可連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，主要由高功率激光器、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組成。

激光器采用高功率的半導(dǎo)體激光器，最大輸出功率可達(dá)到研制400W/cm2，激光器出口面積為(20×20)mm。為了保證達(dá)到較高的輸出熱流密度，采取多Bar條疊陣的方式擴(kuò)展功率輸出。

圖3 激光器光源方式Fig.3 Types for light source of laser

標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器采用電校準(zhǔn)法空腔式輻射功率計(jì)和GARDON式標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器。

高速水冷快門(mén)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)采用進(jìn)口高速電動(dòng)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，最大速度達(dá)到4m/s。光柵尺分辨率：1μm，最大行程：極限行程260mm?？扉T(mén)控制器采用光柵尺編碼器進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。快門(mén)打開(kāi)發(fā)出信號(hào)標(biāo)記時(shí)間，作為階躍熱流的起始時(shí)間。水冷支架表面進(jìn)行發(fā)黑處理，減小表面對(duì)激光或其他輻射的反射影響。支架內(nèi)部設(shè)計(jì)蛇形水冷流道。快門(mén)打開(kāi)時(shí)間經(jīng)測(cè)試約為1ms，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 快門(mén)打開(kāi)速度測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measuring result of the shutter opening time

冷卻系統(tǒng)為激光熱流輻射源、水冷快門(mén)、標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器、被測(cè)熱流傳感器提供制冷降溫。冷卻系統(tǒng)由循環(huán)泵、儲(chǔ)液箱、冷卻器組、管路、閥門(mén)等組成。冷卻系統(tǒng)制冷功率為5kW。該系統(tǒng)的制冷液為防凍冷卻液，工作溫度范圍為(-30～105)℃。

計(jì)算機(jī)控制與采集系統(tǒng)由高速數(shù)據(jù)采集器、控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制軟件組成，儀器通訊采用串口通訊。主要功能實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)熱流計(jì)與被校熱流計(jì)輸出信號(hào)的采集、激光熱流輻射源功率的控制調(diào)節(jié)以及水冷快門(mén)、電動(dòng)平移臺(tái)的控制。測(cè)試過(guò)程后，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、計(jì)算以及測(cè)試結(jié)果的輸出。

使用熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置為多家單位生產(chǎn)、使用的熱流傳感器進(jìn)行了測(cè)試工作，驗(yàn)證裝置的可靠性，如圖5所示。經(jīng)驗(yàn)證，本方法能夠?qū)憫?yīng)時(shí)間20ms的熱流傳感器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果合理有效。

圖5 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果曲線(xiàn)Fig.5 Experimental data curve of response time

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)無(wú)法進(jìn)行熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于激光熱流源的熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置，并對(duì)多個(gè)型號(hào)的熱流傳感器進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試裝置能夠滿(mǎn)足測(cè)試需求，解決了熱流傳感器動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試難題，為熱流傳感器的研制、生產(chǎn)、選型提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。