張宏安, 黃見洪, 秦 峰, 張扣立, 孔榮宗, 劉濟春

(1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000; 2. 中國科學院 福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所, 福州 350002)

0 引 言

目前，常用的綜合標定方法有熱流標定法、瞬態(tài)加熱法和浸入法[3]。熱流標定法是通過標定獲得傳感器表面熱流和表面溫度響應，經(jīng)過計算得到熱物性參數(shù)，其標定法最終溯源到溫度測量標準或電流、電壓測量標準。國外發(fā)達國家先后研制了熱流標定裝置，如美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)的標定裝置、瑞典國家測試研究所的標定裝置、挪威火災研究實驗室(SINTEF)的標定裝置、意大利國家計量院(IMGC)的標定裝置以及法國國家計量與測試實驗室(LNE)的標定裝置等[4-7]。國內(nèi)的熱流標定裝置有中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所的黑體爐熱流標定裝置等[8-9]。哈爾濱工業(yè)大學的戴景民等[10-11]提出用脈沖加熱技術(shù)測量材料的熱物性參數(shù)，但是該方法不適用于薄膜熱流傳感器基底材料的熱物性參數(shù)測量。上述的這些熱流標定裝置研制較為困難，建造成本較高，操作復雜，不適用于激波風洞脈沖氣動加熱測量。中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所建立的瞬態(tài)加熱法和浸入法標定裝置[1]，由于實驗條件簡單，對實驗設備的要求低，因而得到了很好的應用。但其缺點是加熱源不穩(wěn)定，對操作過程要求比較苛刻，人為因素引起的重復性誤差較大。

激波風洞氣動熱試驗脈沖加熱設備的加熱方式為瞬態(tài)加熱，通常采用薄膜熱流傳感器進行熱流測量。上述國內(nèi)外熱流標定裝置的工作模式屬于穩(wěn)態(tài)標定，不能模擬激波風洞的氣動加熱過程；國內(nèi)的瞬態(tài)加熱標定裝置又有操作比較苛刻、重復性精度不高等缺點。為此，本文提出了一種基于脈沖加熱對薄膜熱流傳感器基底材料的熱物性參數(shù)進行測量的方法：利用脈沖加熱儀器提供波長和脈沖寬度可調(diào)的準連續(xù)激光，投射到被測薄膜熱流傳感器頂部端面，使用積分球收集薄膜熱流傳感器反射的激光，同時利用其反射光具有高均勻的特性，間接測量出薄膜熱流傳感器吸收的熱量，通過對傳熱過程的反算得到薄膜熱流傳感器基底材料的熱物性參數(shù)。

1 基底材料熱物性參數(shù)測量原理

圖1 脈沖加熱裝置測量原理圖

一束經(jīng)過整形、波長為1064nm、脈沖寬度可在1～20ms范圍內(nèi)變化的準連續(xù)激光，經(jīng)聚焦鏡聚焦后，由分光鏡分光為2束激光，一部分激光能量反射進入能量計1，另外一部分激光投射到積分球內(nèi)的樣品上，激光能量大部分被樣品吸收，沒有被吸收而被反射的激光被積分球收集，經(jīng)過積分球內(nèi)的漫反射形成均勻球環(huán)，能量計2按比率吸收一部分能量，樣品上的響應信號被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集反饋到計算機進行處理。積分球是內(nèi)壁涂有白色漫反射材料的空腔球體，其漫反射系數(shù)為99.8%，球壁上開有激光入射窗口、樣品安裝窗口和能量檢測窗口。能量檢測窗口開在積分球反射光照均勻地帶，在開始試驗前，需要準確標定射入積分球內(nèi)的能量與漫反射能量的比率，為此制備了“全反射樣品”安裝在積分球的樣品測試窗口，同時將“全反射樣品”和被測樣品的反射光點調(diào)節(jié)到相同的位置。對比10次激光脈沖測量結(jié)果，每次測量時，激光發(fā)射時間間隔30s，積分球注入能量與漫反射能量的比率n為：

n=E1×Tr/E20

(1)

式中：E1為能量計1的測量值，E20為安裝“全反射樣品”時能量計2的測量值，Tr為分光鏡的透過比率。將“全反射樣品”更換為被測樣品后，被測樣品吸收的能量Ex為：

(2)

式中：E21為安裝被測樣品時能量計2的測量值。被測傳感器樣品吸收能量E，在傳感器表面產(chǎn)生的溫度響應被發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)傳感器的熱傳導理論假設，利用式(3)[10]反算得到傳感器基底材料的熱物性參數(shù),熱物性參數(shù)計算表達式為式(4)。

(3)

(4)

式中：T為溫度，t為測量時間節(jié)點。

2 測試裝置搭建

根據(jù)本文提出的熱物性參數(shù)測量原理搭建了一套測試裝置，主要包括用于脈沖加熱的激光器、光學標定系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)以及其他輔助部件，如圖2所示。激光器長脈沖激光經(jīng)過內(nèi)部光開關(guān)模塊整形輸出波長為1064nm的準連續(xù)激光，經(jīng)過聚焦鏡2聚焦、然后由45°全反射鏡1和45°全反射鏡3反射，最后經(jīng)過分光鏡4分光為2束激光，一部分激光能量反射到能量計1，剩余激光能量入射到積分球內(nèi)的樣品上，激光能量大部分被樣品吸收，沒有被吸收的反射激光被積分球上的能量計2接收。被測樣品上產(chǎn)生的信號被數(shù)采系統(tǒng)采集，通過計算可獲得被測樣品的熱物性參數(shù)。標定系統(tǒng)內(nèi)的“紅色指示光”與激光同光路，積分球內(nèi)樣品的情況可以通過“CCD視頻”進行監(jiān)控。

圖2 測量裝置光路組件照片

2.1 脈沖加熱裝置

脈沖加熱裝置的脈沖加熱源由激光器提供，其內(nèi)部設有光開關(guān)模塊，長脈沖激光經(jīng)過內(nèi)置模塊整形后可輸出1064nm的準連續(xù)激光。激光器可以輸出激光脈沖寬度1～20ms、波長532～10 600nm范圍內(nèi)的脈沖激光。在一個脈沖時間內(nèi)，熱流隨時間的變化曲線如圖3所示。

式(2)即目標函數(shù)，表示給定i，j，求得3項成本價值量最小的路徑r.其中，Yijr為路徑r的成本價值量.由節(jié)點間運輸成本和樞紐點中轉(zhuǎn)成本構(gòu)成：

圖3 一個脈沖周期內(nèi)熱流隨時間的變化曲線圖

2.2 光學標定系統(tǒng)

光學標定系統(tǒng)見圖4。該系統(tǒng)由聚焦鏡、3個45°全反射鏡、分光鏡、積分球、能量計、紅色指示光和CCD相機等組成。激光器發(fā)出的激光由聚焦鏡聚焦，45°全反射鏡反射激光，分光鏡對激光束按照一定比例分光，能量計接收由分光鏡分光后的激光，積分球收集被測樣品反射的激光。

圖4 激光器及光學標定系統(tǒng)

2.3 標定樣品安裝

標定樣品通過一個中心帶孔的全反鏡樣品安裝夾安裝到樣品架上，如圖5所示。樣品架內(nèi)部有與標定樣品接觸的銅電極，其下有一個比樣品直徑略大的裝夾小孔。安裝時，樣品穿過帶孔全反鏡、銅電極、并穿過電極下的裝夾小孔，直到樣品頂部距離帶孔全反鏡約2mm為止。如果距離小于2mm，可以調(diào)節(jié)樣品架后部中間的螺絲把樣品頂出來重新安裝。

圖5 樣品安裝夾

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

脈沖加熱測量薄膜熱流傳感器熱物性參數(shù)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電荷放大器、電壓放大器、熱電模擬轉(zhuǎn)換模塊、觸發(fā)裝置和采集記錄儀等部分組成。進行薄膜熱流傳感器熱物性參數(shù)標定實驗時，由電壓放大器給薄膜熱流傳感器提供10mA的恒流，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得樣品表面溫度響應后，經(jīng)置于內(nèi)部的熱電模擬網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換，然后由數(shù)據(jù)采集記錄儀存儲后輸送至計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)采樣頻率可達1MHz，能提供5～15V的恒壓源和1～10mA的恒流源。

3 光學標定系統(tǒng)調(diào)試

光學標定系統(tǒng)是脈沖加熱測量薄膜熱流傳感器熱物性參數(shù)裝置的關(guān)鍵部分，它實質(zhì)上是一個精心設計的輻射能量通道，確保通過能量計檢測及相應的“抵扣”計算能夠獲得被測樣品吸收能量的確切值。光學標定系統(tǒng)由聚焦鏡、45°全反射鏡和分光鏡、積分球以及紅色指示光等組成，整個標定系統(tǒng)放置在氣浮隔振光學平臺上，以保證標定系統(tǒng)與外部振動隔離并處于水平狀態(tài)。

該系統(tǒng)對光路調(diào)試要求較高，由于標定用的激光波長為1064nm，肉眼不可見，因此在標定系統(tǒng)中增加了一路指示用的紅色激光，1064nm激光與紅色指示激光同光路，1064nm激光的聚焦點大約在分光鏡4附近的D點(見圖1)。1064nm紅外激光在積分球入口處的位置示意圖如圖6所示，即在靠近入口中心偏左處(從積分球外部看)，仔細調(diào)整使得被測樣品安裝位置處于激光光斑的正中心，被測樣品安裝位置處的光斑大小與被測樣品表面尺寸相當，直徑約2mm，二維導熱效應可忽略。同時調(diào)整能量計E1的高度和左右位置，讓1064nm紅外激光光點對準能量計的中心。

1064nm激光通過分光鏡的透過率與激光的入射角度相關(guān)，不同的入射角度下激光有不同的透過率，本系統(tǒng)使用的分光鏡都經(jīng)過專用儀器標定，調(diào)節(jié)光路系統(tǒng)時必須調(diào)節(jié)激光對分光鏡的入射角度，以滿足標定系統(tǒng)的使用要求。該光路系統(tǒng)中激光入射角度為45°，其角度誤差需小于±0.5°。

圖6 入射光在積分球入口處的位置

4 驗證試驗

圖7 分光鏡透射標定曲線

樣品的結(jié)構(gòu)如圖8所示，Cr屬于金屬導體，為了隔離其導電性能，首先在樣品基底上鍍制SiO2和Al2O3的復合膜，2種膜交叉鍍制，每層厚度200nm(厚度誤差<10%)，復合膜總厚度約1000nm；然后在頂端鍍上一層200nm厚度的金屬Cr膜。復合膜鍍制時，可以先鍍SiO2，也可以先鍍Al2O3，總的層數(shù)為5層。Cr膜對1064nm激光的吸收率大于90%。樣品頂端膜采用物理蒸發(fā)鍍制。

圖8 樣品結(jié)構(gòu)圖

在樣品安裝位置安裝“全反射樣品”，樣品頂部鍍的全反射膜將入射激光全部反射，反射激光被積分球收集。標定在樣品頂部全反射情況下積分球注入能量與漫反射能量的比率系數(shù)，本次試驗測得的系數(shù)為58.4。其熱物性參數(shù)標定計算公式為：

(5)

將q=(E1n1-E2n2)/(S·tt),T=(R-R0)/ε,R=U/I帶入上式，得到熱物性參數(shù)：

(6)

式中：E1為能量計1的測量值，E2為能量計2的測量值，n1為分光鏡分光比率，n2為“全反射參考樣品”時的分光比率，S為傳感器樣品自身頂部面積，U為薄膜電阻端測量的電壓，I為恒電流，t為測量的時間點，tt為激光光斑時間，溫度T與薄膜熱流傳感器的靈敏度系數(shù)ε成線性關(guān)系。

能量計1和2采用的是以色列OPHIR公司的產(chǎn)品，能量計1在950～1064nm入射光的條件下，其不確定度為2.2%；能量計2在量程范圍內(nèi)的偏差為1.62%。

表1 薄膜熱流傳感器基底材料熱物性參數(shù)測量結(jié)果Table 1 Thermal parameters measurement results of a thin-film heat flux sensor

5 結(jié) 論

利用積分球能夠收集不規(guī)則反射光的特性，提出了基于脈沖加熱薄膜熱流傳感器表面，直接標定熱物性參數(shù)的方法?；谠摲椒ǎ罱艘惶子糜跍y量薄膜熱流傳感器基底材料的熱物性參數(shù)的脈沖加熱裝置。結(jié)論如下：

(1) 所研制的薄膜熱流傳感器基底材料熱物性參數(shù)脈沖加熱裝置,其加熱方式為瞬態(tài)加熱，脈沖加熱激光器的激光波長和脈沖寬度可調(diào)，能夠較好地模擬脈沖型風洞加熱狀態(tài)，更接近實際使用環(huán)境。

(2) 該測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作使用簡便，被測樣品制作容易。

(3) 該裝置標定的熱物性參數(shù)精準度高，重復性誤差約在1%以內(nèi)，相對不確定度為4.2%，使用該標定系統(tǒng)標定的熱流傳感器能顯著提高風洞試驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量。解決了分別標定法難以獲得高精準度薄膜熱流傳感器基底材料熱物性參數(shù)的難題。