基于激光激勵熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性測試

摘要:熱電偶是最常用的接觸式測溫方法，具有高精度、大量程和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性是衡量其高速測溫性能的關(guān)鍵指標，需要采用實(shí)驗方法進(jìn)行測試?；诠鉄嵝募す饧訜岱绞骄哂锌焖俸头奖阏{控的優(yōu)點(diǎn),是目前進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應特性測試實(shí)驗的常用方法。根據激光激勵信號的調制方式，可進(jìn)行階躍、脈沖和周期三種形式的熱源信號加載，本文對不同形式的激光在熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性測試實(shí)驗中的研究現狀進(jìn)行總結，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并對高速熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性測試技術(shù)進(jìn)行展望。
1引言
　　對瞬態(tài)溫度的高速準確測量在諸多科技領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用,例如彈藥爆炸，槍膛內壁，航空發(fā)動(dòng)機燃燒室等場(chǎng)合-的溫度測量。常見(jiàn)的高速測溫方法分非接觸式與接觸式兩類(lèi)，非接觸式測溫方法主要以紅外測溫技術(shù)為代表，通過(guò)采集物體輻射的紅外能量實(shí)現溫度傳感，測溫范圍可達數千攝氏度且速度能達到亳秒級，但該方法只能.測量物體表面溫度，在有環(huán)境干擾時(shí)難以實(shí)現準確測量，應用上存在較大局限性。接觸.式測溫方法種類(lèi)較多，常用的有光纖傳感,熱電阻，熱電偶等，光纖類(lèi)的溫度傳感器具有較快的響應速度，適用于某些對電磁干擾有要求的測溫場(chǎng)合,但光纖類(lèi)溫度傳感器存在多參數敏感問(wèn)題，復雜環(huán)境下測溫誤差較大。熱電阻的測溫精度非常高，很多恒溫設備中都以其測試結果作為標準溫度，但通常體積尺寸較大,測溫速度相對較慢。熱電偶測溫技術(shù)在動(dòng)態(tài)測溫領(lǐng)域的應用最廣泛，測溫精度可達0.1℃，測溫速度可達微秒級，廣泛應用于航空航天、燃燒爆炸和武器裝備等復雜場(chǎng)合的溫度測量。
　　為了解熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性，在溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應校準規范中對包括熱電偶在內的接觸式溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應特性測試的實(shí)驗條件及方法做了規定、。常用溫度傳感器對階躍溫度的響應來(lái)描述其動(dòng)態(tài)響應特性，動(dòng)態(tài)響應特性的主要參數有熱響應時(shí)間和時(shí)間常數，二者都是環(huán)境溫度發(fā)生階躍變化后，傳感器的輸出溫度變化到相當于該環(huán)境溫度階躍量的某個(gè)規定百分數值所需要的時(shí)間。通常按照熱源類(lèi)型對熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性測試方法進(jìn)行分類(lèi)，常用的方法有水浴法3、火焰法、熱風(fēng)洞法5、激光法、激波管法[7等。激光具有施加速度快和參數可調控的優(yōu)點(diǎn)[8),是非常理想的加熱方式。目前裸絲熱電偶的動(dòng)態(tài)響應測試研究中大多采用激光加熱，相較于其他熱源能夠有效減少施加熱激勵過(guò)程中的誤差。
2基于激光激勵的熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性測試方法
　　根據激光激勵信號的調制方式，可進(jìn)行階躍、脈沖和周期三種形式的熱源信號加載，基于不同形式激光激勵的熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性測試方法有各自的優(yōu)勢與局限性。
 
　　熱電偶是由兩種不同材料的金屬導體連接形成的感溫器件,其基本結構和在激光加熱時(shí)與外界熱交換情況如圖1所示。熱電偶由感溫結點(diǎn)和偶絲兩部分構成，輸出熱電勢取決于感溫結點(diǎn)的溫度。激光加熱時(shí)感溫結點(diǎn)溫度持續.上升，熱電偶與測試環(huán)境的空氣之間在對流換熱，感溫結點(diǎn)內部熱量向偶絲和支架方向傳導，激光加熱過(guò)程同時(shí)存在輻射、對流和傳導三種傳熱方式。
2.1階躍調制激光激勵
　　階躍測試法是使用連續激光器給予傳感器完整的階躍激光加熱并測量其響應的方法，分為正階躍測試法和負階躍測試法[19,分別測試升溫和降溫過(guò)程的輸出信號并計算時(shí)間常數。
　　正階躍測試法加熱過(guò)程中主要傳熱方式為輻射，推導時(shí)間常數的集總參數模型熱交換邊界條件為對流。正階躍測試法施加給傳感器的并不是純粹的溫度階躍，直接使用時(shí)間常數作為指標存在理論上的缺陷，而且測試環(huán)境與傳感器的實(shí)際工況也存在明顯差異。
　　負階躍測試法降溫過(guò)程中傳熱方式為對流，與集總參數模型、熱電偶的實(shí)際使用場(chǎng)合均相符。相較于正階躍測試法，負階躍測試法給予熱電偶完整的階躍溫度作為激勵，測試結果能有效表征熱電偶在實(shí)際工況中的測溫速度。
 
　　階躍激光加熱的溫度幅值很難精確控制，只有使用反饋控制裝置才能實(shí)現精確控制溫度幅值,此時(shí)溫度幅值達到穩態(tài)的時(shí)間也會(huì )被反饋結構延長(cháng)。但溫度幅值對時(shí)間常數測試結果影響基本可以忽略，通常直接采用持續激光器對熱電偶進(jìn)行加熱。
　　正階躍測試法測得0.05mm微細K型熱電偶的時(shí)間常數為80.3ms,同一熱電偶采用負階躍測試法的時(shí)間常數為75. Imsl21。正階躍測試法的時(shí)間常數比負階躍測試法更大,由于負階躍測試法施加的是完整的階躍溫度，時(shí)間常數更接近真值。
 
　　2020年,中北大學(xué)閆慶峰采用半導體持續激光器作為熱源，通過(guò)模糊PID控制器反饋控制激光器出光功率，可精確控制階躍激光加熱的溫度幅值，測得0.5mm裸露式K型熱電偶的時(shí)間常數為0.31s。 同一熱電偶采用幅值為812.8℃和666.7℃的負階躍溫度激勵測得的時(shí)間常數分別為0.3576s 和0.31695。采用正階躍測試法和負階躍測試法測得同一支熱電偶時(shí)間常數非常接近，負.階躍測試法不同幅值下的時(shí)間常數測試結果也比較接近。
 
2.2脈沖調制激光激勵
　　大功率激光器能夠產(chǎn)生高能脈沖激光作為激勵熱源，脈沖激光能從時(shí)域和頻域測試熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性。時(shí)域測試與正階躍測試法類(lèi)似，測量脈沖激光加熱時(shí)熱電偶的輸出信號。測試裝置和實(shí)驗步驟都非常簡(jiǎn)單，但存在與正階躍測試法相同的缺點(diǎn)，溫度.上升過(guò)程熱電偶與環(huán)境的主要傳熱方式是輻射，而且脈沖激光對熱電偶激勵后無(wú)法讓熱電偶的輸出信號維持穩定，不能由熱電偶響應曲線(xiàn)精確計算時(shí)間常數,相比正階躍測試法的問(wèn)題更大。
 
　　基于脈沖激光激勵的頻域測試方法借鑒于壓力傳感器動(dòng)態(tài)校準方法,壓力傳感器的動(dòng)態(tài)校準需要測量其幅頻特性的不平直度及其在頻率域的寬度評價(jià)系統優(yōu)劣，使用窄脈沖壓力激勵傳感器測試動(dòng)態(tài)不確定度，作為評價(jià)其動(dòng)態(tài)響應特性的標準。
 
　　熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性也能夠由頻率響應衡量，在頻率響應中可使用幅頻特性的不平直度、相頻特性的非線(xiàn)性度或者截止頻率評價(jià)不同熱電偶的動(dòng)態(tài)響應性能，但無(wú)法和時(shí)間常數--樣直觀(guān)比較不同熱電偶的測溫速度。熱電偶時(shí)刻都在與外界熱交換，受環(huán)境干擾十分明顯，頻率響應測試結果不如壓力傳感器效果好。
　　以二氧化碳激光器為激勵熱源,采用脈沖激光加熱0.5mm裸絲K型熱電偶測試動(dòng)態(tài)響應特性,脈沖激光產(chǎn)生的溫度激勵不足以讓熱電偶達到穩態(tài)熱平衡狀態(tài)，難以準確計算時(shí)間常數,通.過(guò)激光器的出光時(shí)間估測熱電偶的時(shí)間常數約為100ms[241。 2017年，大連交通大學(xué)崔云先采用短脈沖激光作為薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性實(shí)驗的熱源，激光垂直照射薄膜熱電偶表面產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，脈沖激光的寬度為8ns，激光的能量值為0.3mJ,根據傳感器輸出信號上升過(guò)程計算得NiSi薄膜熱電偶的時(shí)間常數為36.5μsl25),也存在未達到穩態(tài)熱平衡的問(wèn)題。
 
2018年，中北大學(xué)李巖峰將壓力傳感器動(dòng)態(tài)校準的方法應用到熱電偶中，搭建測試系統以窄脈沖激光激勵熱電偶測試幅頻特性[26),但獲得的幅頻特性曲線(xiàn)并不理想，后.續還需要借助建模手段使用系統辨識的方法對測試結果進(jìn)行處理。
 
2.3周期調制激光激勵
　　無(wú)論哪種熱源加熱過(guò)程都會(huì )存在一定的.上升時(shí)間，對測試結果造成誤差不可避免。集總參數模型將傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為一階系統并推導出時(shí)間常數，在一階系統中的頻率響應中，時(shí)間常數也是關(guān)鍵參數之一。 采用不同頻率的周期溫度激勵可以獲得比較完整的頻率特性,從頻域間接求取時(shí)間常數理論上能夠避免時(shí)域測試中溫度變化存在上升時(shí)間的問(wèn)題，也不用考慮傳熱方式的影響，但產(chǎn)生周期變化的溫度十分困難。
 
　　2013年，普林斯頓大學(xué)Gilad Arwatz以氬激光器作為熱源，使用光學(xué)斬波器讓冷線(xiàn)探頭周期性地受激光光源輻照，獲得了冷線(xiàn)探頭響應信號完整的幅頻特性,其結果表明冷線(xiàn)的頻率響應比預想要有限得多，這可能導致溫度數據存在比較大的誤差?；谠搯?wèn)題提出了考慮端部熱傳導效應和導線(xiàn)響應影響的集總參數模型,通過(guò)實(shí)驗數據對該模型進(jìn)行了驗證，研究了不同加熱條件下的金屬絲頻率響應。
 
　　模型中的所有參數都與傳感器的幾何形狀和所用材料的屬性有關(guān)，新模型可以.用作傳感器設計和優(yōu)化工具，也可以用于校正冷線(xiàn)探頭測得的溫度數據。由于考慮了末端的傳導效應，可以獲得更加精確的溫度測試結果。冷線(xiàn)對周期溫度信號的響應是通過(guò)大量測試數據集合平均提取實(shí)現，信號并不理想，尤其是低頻段很容易受到環(huán)境條件變化的影響。
 
3總結與展望
　　根據前文分析,階躍激光激勵是目前研究最多的激光加熱方式，對應的數據分析方法與熱電偶時(shí)間常數定義完全吻合，可適應大多數應用場(chǎng)合。但對于極高速響應的熱電偶，采取正階躍激勵時(shí)因光熱效應引起溫升并達到熱平衡的過(guò)程需要時(shí)間，可能對測量結果造成一定影響。 采用負階躍測試法能夠部分解決熱交換方式不一致和難以維持熱平衡的問(wèn)題，但熱電偶在達到初始瞬態(tài)高溫的過(guò)程中其內部能量一直不斷積累，包括非感溫結點(diǎn)部分也會(huì )達到高溫狀態(tài)，導致測試的降溫曲線(xiàn)偏慢，動(dòng)態(tài)響應特性測試結果難以反映熱電偶的極限測溫速度。采用脈沖激光激勵時(shí)，信號中同時(shí)存在上升段和下降段,具有更豐富的特征信息，但由于難以實(shí)現熱平衡，在數據處理方面無(wú)論是時(shí)域還是頻域分析均缺乏成熟的理論支撐。采用周期調制激光激勵時(shí)，雖然激光參數調控方便,產(chǎn)生理想的周期溫度并不容易，難以開(kāi)展實(shí)際應用。
　　目前,微細熱電偶、薄膜熱電偶、和集成電路工藝熱電偶等高速熱電偶的尺寸已達到微米甚至納米量級,對應時(shí)間常數可達到微秒級，但現有的動(dòng)態(tài)溫度測量和校準方法僅能滿(mǎn)足毫秒級的應用需求，如何準確量化高速熱電偶的測溫速度缺乏統--測試標準。盡管激光激勵方式具有調控方便，加熱速度快的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn),但現有的三種調制.方式在實(shí)際測試中均存在理論或實(shí)驗實(shí)現方面的不同問(wèn)題。針對微秒級的高速熱電偶動(dòng)態(tài)響應特性準確測試問(wèn)題，還需要探索新的動(dòng)態(tài)響應特性測試理論和方法，以適應高速測溫技術(shù)的發(fā)展。