郝曉劍，張志杰，周漢昌

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

溫度在科研和生產(chǎn)中都是一個(gè)非常重要的物理量，屬國際單位制7個(gè)基本單位之一. 溫度概念的建立以及溫度的測(cè)量，都是以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)的. 目前，主要的溫度傳感器，如熱電偶、 熱電阻及輻射溫度計(jì)等溫度測(cè)量方法在技術(shù)上已經(jīng)成熟，能滿足一般應(yīng)用場(chǎng)合的要求，如圖 1 所示. 表 1 為接觸和非接觸測(cè)溫方法的優(yōu)缺點(diǎn). 但在航空、 航天、 兵器、 化爆和核爆等領(lǐng)域，溫度測(cè)量條件非常惡劣，技術(shù)難度很高，各研究機(jī)構(gòu)及高校對(duì)長時(shí)間高溫或瞬態(tài)高溫測(cè)量技術(shù)都給予了高度重視[1-10]. 為了確保動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確可靠和統(tǒng)一，就要求在積極發(fā)展動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試技術(shù)的同時(shí)，必須大力開展動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)(標(biāo)定)技術(shù)的研究[11-14]. 針對(duì)高溫參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)試過程存在單次、 瞬態(tài)、 測(cè)試環(huán)境惡劣等特點(diǎn)以及“測(cè)不到、 測(cè)不準(zhǔn)、 不可靠”等難題，亟需獨(dú)立發(fā)展我國的先進(jìn)測(cè)試技術(shù).

圖 1 溫度測(cè)量方法Fig.1 Temperature measurement method

表 1 測(cè)溫方法的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of temperature measurement methods

1 極端環(huán)境傳感與測(cè)試面臨的共性技術(shù)問題

不同于傳統(tǒng)的傳感與測(cè)試方法，極端環(huán)境傳感與測(cè)試面臨的共性技術(shù)問題是將測(cè)試系統(tǒng)直接放置在實(shí)際運(yùn)動(dòng)著的被測(cè)體內(nèi)或被測(cè)環(huán)境中，系統(tǒng)在承受與被測(cè)對(duì)象相同的極其惡劣的動(dòng)態(tài)環(huán)境參量作用條件下實(shí)時(shí)實(shí)況準(zhǔn)確地獲取所需信息. 由于有高溫、 高壓、 高旋、 高沖擊、 強(qiáng)噪聲等環(huán)境因子引入，如圖 2 所示，會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)耦合干擾，導(dǎo)致測(cè)不了、 測(cè)不準(zhǔn)、 活不了等問題的存在，因此，給傳感測(cè)試技術(shù)帶來極大挑戰(zhàn).

圖 2 一個(gè)通道的測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 A channel of a testing system

圖 2 中，x(t)為輸入的被測(cè)信號(hào)，通過信號(hào)系統(tǒng)特性Gs輸出yx(t)；v(t)為單一環(huán)境因子，是一種調(diào)變信號(hào)，通過Gvs調(diào)變Gs，通過Gvg調(diào)變Gg；g(t)為復(fù)合環(huán)境因子，是干擾信號(hào)，通過干擾特性Gg直接輸出yg(t)；Gs為信號(hào)通道的響應(yīng)特性；Gg為信號(hào)通道的干擾特性；Gvs和Gvg分別為單一環(huán)境因子v(t) 調(diào)變信號(hào)系統(tǒng)特性Gs及復(fù)合環(huán)境因子g(t)調(diào)變干擾特性Gg的調(diào)變函數(shù)，要建立其函數(shù)關(guān)系是很復(fù)雜的；y(t)為測(cè)試系統(tǒng)輸出信號(hào)，由yx(t)和yg(t)合成.

如圖 3 所示，圍繞極端環(huán)境下特種傳感與動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，針對(duì)長時(shí)間高溫測(cè)不了難題，從高動(dòng)態(tài)層面，研究了3 000 ℃ 高量程鎢錸合金絲高溫傳感器； 針對(duì)瞬態(tài)表面高溫測(cè)不準(zhǔn)難題，從高精度層面，提出了無上限熱激發(fā)原子發(fā)射雙譜線和2 000 ℃藍(lán)寶石光纖黑體腔瞬態(tài)高溫測(cè)試技術(shù)； 針對(duì)活不了難題，從高可靠層面，研究極端環(huán)境(3 000 ℃、 20×105g、 800 MPa)下存儲(chǔ)測(cè)試與防護(hù)方法.

圖 3 高溫測(cè)量及溯源性動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法Fig.3 High temperature measurement and traceability dynamic calibration

2 特種高溫傳感器件與標(biāo)定方法

2.1 航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間高溫測(cè)試

在航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)及飛行器研制和使用中，迫切需要解決長時(shí)間高溫參數(shù)的測(cè)試問題，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 功能提升和性能評(píng)估提供重要數(shù)據(jù). 以往有線測(cè)試系統(tǒng)不僅會(huì)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生不良影響，且引線連接的測(cè)試方式在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高速旋轉(zhuǎn)部件環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)，高溫下引線失效和焊接脫離也限制了傳感器工作溫度的提升. 為此，提出超聲波導(dǎo)測(cè)溫方法，測(cè)溫上限為3 000 ℃，解決了寬溫區(qū)長時(shí)間高溫測(cè)試難題.

2.1.1 超聲導(dǎo)波測(cè)溫機(jī)理

如圖 4 所示，在距敏感元件端頭Δs處刻有一個(gè)凹槽，構(gòu)成傳感器敏感元件. 該凹槽為傳感器區(qū)截，將敏感元件有區(qū)截的一端置于溫度場(chǎng)中，使其與被測(cè)溫場(chǎng)達(dá)到熱平衡. 在敏感元件中傳播的超聲波遇到區(qū)截時(shí)一部分發(fā)生反射，產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)波，另一部分發(fā)生透射，透射的超聲波繼續(xù)傳播，遇到敏感元件端面時(shí)再次發(fā)生反射，產(chǎn)生端點(diǎn)波. 節(jié)點(diǎn)波與端點(diǎn)波的時(shí)間差Δt即為超聲波時(shí)延值. 獲取超聲回波信號(hào)中節(jié)點(diǎn)波與端點(diǎn)波時(shí)延值是溫度信息解耦算法的核心. 被測(cè)高溫場(chǎng)的溫度變化會(huì)引起敏感元件中超聲波傳播速度的變化，進(jìn)而引起 Δt變化，即

(1)

圖 4 超聲波測(cè)溫原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of ultrasonic temperature measurement principle

2.1.2 鎢錸合金絲超聲導(dǎo)波測(cè)溫系統(tǒng)

根據(jù)理論可知，在不同溫度下超聲波在波導(dǎo)桿中的傳播速度不同. 鎢錸合金絲為耐高溫材料，熔點(diǎn)在3 000 ℃以上，導(dǎo)聲特性較好，超聲波在其中的傳播速度隨溫度變化較大. 測(cè)溫系統(tǒng)整體方案如圖 5 所示. 以精度為3‰的B型熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)，將長度為1 m，直徑為 1 mm，節(jié)距長為 27 mm 的鎢錸合金絲波導(dǎo)測(cè)溫傳感器在氬氣保護(hù)環(huán)境中對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定. 溫度-時(shí)延值的3次擬合曲線如圖 6 所示.

經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空天發(fā)動(dòng)機(jī)2 200 ℃溫度下壓力的長時(shí)間測(cè)試[1,5].

圖 5 超聲測(cè)溫系統(tǒng)方案Fig.5 Scheme of ultrasonic temperature measurement system

圖 6 溫度-時(shí)延值的3次擬合曲線Fig.6 Three time fitting curve of temperature and time delay

2.2 瞬態(tài)(ms級(jí))高溫測(cè)試

在兵器、 核爆和化爆試驗(yàn)中，有許多研究對(duì)象測(cè)量的是瞬態(tài)高溫，其特點(diǎn)是溫度高、 變化快、 常為不可重復(fù)的一次性過程. 因此，測(cè)量條件非常惡劣，技術(shù)難度很高. 目前國內(nèi)現(xiàn)有的高溫測(cè)量技術(shù)和設(shè)備都無法滿足這些領(lǐng)域的高溫測(cè)試需求，所以迫切需要探索新的瞬態(tài)高溫測(cè)試方法.

2.2.1 原子發(fā)射雙譜線瞬態(tài)高溫測(cè)量

1) 熱激發(fā)原子發(fā)射雙譜線測(cè)溫機(jī)理

根據(jù)愛因斯坦輻射理論可知，原子發(fā)射雙譜線溫度可由式(2)決定

(2)

式中：T為待測(cè)溫度；A和B為綜合考慮了原子的特性、 波長以及系統(tǒng)的光傳遞函數(shù)等因素后的特定常數(shù)，可以通過對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度標(biāo)定獲取. 由數(shù)據(jù)采集部分所記錄的兩個(gè)通道電壓信號(hào)Iλ1和Iλ2，通過式(2)獲得瞬態(tài)高溫，理論上無測(cè)溫上限.

2) 原子發(fā)射雙光譜測(cè)溫系統(tǒng)

如圖 7 所示，燃燒高溫氣體中溫標(biāo)元素原子的光譜輻射由藍(lán)寶石窗口導(dǎo)入，經(jīng)Y型光纖和特定波長的窄帶濾光片分兩束傳輸，由固態(tài)光電倍增管 SiPM 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ).

圖 7 原子發(fā)射光譜測(cè)溫系統(tǒng)方案Fig.7 The scheme of atomic emission spectrometry temperature measurement system

對(duì)于波長已經(jīng)確定的λ1和λ2兩條原子發(fā)射譜線，只要通過標(biāo)定獲得兩譜線強(qiáng)度的比值，由式(2) 便可推出被測(cè)體的溫度值. 其靜態(tài)標(biāo)定裝置如圖 8 所示，標(biāo)定結(jié)果如圖 9 所示.

圖 8 原子譜線測(cè)溫靜態(tài)標(biāo)定示意圖Fig.8 Schematic diagram of static calibration for atomic spectral temperature measurement

圖 9 原子譜線測(cè)溫系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定曲線Fig.9 Static calibration curve for atomic spectral temperature measurement

經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高能炸藥毫秒級(jí)2 600 ℃ 的瞬態(tài)高溫測(cè)試[8].

2.2.2 藍(lán)寶石光纖黑體腔瞬態(tài)高溫測(cè)量

1) 黑體腔傳感器測(cè)溫機(jī)理

根據(jù)Planck黑體輻射定律可知，輻射光信號(hào)經(jīng)光纖傳入光探測(cè)器后輸出的電壓為

(3)

其中

K=η(λ0)×f(λ0)×D(λ0)×ε(λ0)，

式中：λ和Δλ為探測(cè)的波長和帶寬；R(T)可由數(shù)值積分得到；K為取決于光信號(hào)傳輸過程中各種光纖傳輸、 耦合和其他光學(xué)元件的插入損耗、 窄帶光電探測(cè)器的靈敏度系數(shù)，若忽略溫度變化引起損耗和發(fā)射率隨溫度的改變，它是與溫度無關(guān)的裝置常數(shù)，可通過靜態(tài)標(biāo)定得到. 由于K與溫度無關(guān)，只需在一個(gè)溫度下標(biāo)定即可.

2) 黑體腔傳感器靜態(tài)標(biāo)定

標(biāo)定可在如圖 10 所示的裝置上進(jìn)行，用計(jì)量部門檢定過的鎢錸高溫?zé)犭娕季_控制金屬傳熱體的溫度，經(jīng)標(biāo)定的鎢錸熱電偶可測(cè)溫度上限為2 000 ℃，將它和藍(lán)寶光纖黑體腔溫度傳感器置于高功率CO2熱源所形成的高溫均熱金屬熔池恒溫區(qū)域，以保證標(biāo)定精度. 已知經(jīng)標(biāo)定的鎢錸熱電偶的輸出電壓，根據(jù)分度表可得出其對(duì)應(yīng)的溫度T. 利用溫度T以及式(3)可求出標(biāo)定系數(shù)K，由相應(yīng)處理軟件得到被測(cè)溫度值. 圖 11 為藍(lán)寶石光纖黑體腔靜態(tài)標(biāo)定曲線.

圖 10 藍(lán)寶石光纖黑體腔靜態(tài)標(biāo)定示意圖Fig.10 Schematic diagram of static calibration of sapphire fiber blackbody cavity

圖 11 藍(lán)寶石光纖黑體腔靜態(tài)標(biāo)定曲線Fig.11 Static calibration curve for sapphire fiber blackbody cavity

3) 藍(lán)寶石光纖黑體腔瞬態(tài)測(cè)溫系統(tǒng)

如圖 12 所示，輻射光信號(hào)由光纖傳導(dǎo)后經(jīng)耦合模塊到帶尾纖的光電探測(cè)器件. 光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由數(shù)據(jù)采集部分采集，經(jīng)專用測(cè)溫軟件處理得出溫度-時(shí)間對(duì)應(yīng)曲線.

圖 12 藍(lán)寶石光纖黑體腔測(cè)溫系統(tǒng)Fig.12 Sapphire fiber blackbody cavity temperature measurement system

經(jīng)測(cè)試，磁控濺射/等離子噴涂鍍膜工藝非金屬膜層： 氧化鉻(2 266 ℃)、 氧化鋯(2 715 ℃)、 碳化鎢 (2 870 ℃)的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，成功測(cè)得某發(fā)射箱前框瞬態(tài)高溫1 465.51 ℃[9-10].

3 瞬態(tài)表面溫度傳感器溯源性動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法

研究表面溫度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的目的在于利用可溯源的、 快速變化的溫度信號(hào)來探明各類溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行修正使之更接近于真實(shí)的溫度信號(hào)，從而達(dá)到減少動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差的目的.

3.1 溯源性校準(zhǔn)系統(tǒng)

如圖 13 所示，采用可高頻調(diào)制的大功率激光器(固體激光器、 氣體激光器、 半導(dǎo)體激光器、 光纖激光器等)作為測(cè)溫傳感器的加熱源，利用具有共軛光學(xué)系統(tǒng)的橢球面反射鏡以及高速響應(yīng)的輻射溫度計(jì)，針對(duì)航空、 航天發(fā)動(dòng)機(jī)、 化爆、 核爆等行業(yè)瞬態(tài)高溫快速、 準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)測(cè)試的需求，對(duì)時(shí)間常數(shù)為毫秒和亞毫秒量級(jí)的高速表面溫度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和補(bǔ)償.

圖 13 瞬態(tài)表面溫度傳感器可溯源動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)Fig.13 Traceable dynamic calibration system for transient surface temperature sensors

3.2 溯源性動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)原理

如圖 14 所示，分別對(duì)輻射溫度計(jì)進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)和被校溫度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn).

1) 用經(jīng)過檢定的被校傳感器對(duì)系統(tǒng)輻射溫度計(jì)(IR探測(cè)器)進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn). ①用激光加熱被校傳感器，產(chǎn)生不同的恒溫. ②由被校傳感器的輸出檢測(cè)溫度. ③得到系統(tǒng)中輻射溫度計(jì)的電壓V-溫度T曲線.

2) 用經(jīng)過靜態(tài)標(biāo)定的輻射溫度計(jì)對(duì)被校傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn). ①用從某時(shí)刻開始重復(fù)頻率足夠高的激光脈沖序列加熱被校傳感器，產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)階躍溫度變化. ②由輻射溫度計(jì)得到傳感器溫度的真實(shí)變化. ③通過同時(shí)測(cè)得的被校傳感器和輻射溫度計(jì)的時(shí)間t-溫度T兩條曲線的比較來實(shí)現(xiàn)溯源.

圖 14 瞬態(tài)表面溫度傳感器溯源性校準(zhǔn)原理Fig.14 Traceability calibration principle of transient surface temperature sensor

3.3 表面溫度傳感器的反濾波補(bǔ)償方法

將輻射溫度計(jì)的時(shí)間t-溫度T曲線作為輸入，被校傳感器的時(shí)間t-溫度T曲線作為輸出，分別求拉氏變換，就可以得出校準(zhǔn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，如式(4). 圖 15 為經(jīng)反濾波器后工作頻帶的展寬.

(4)

圖15中曲線1為系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅頻特性，可見在頻率大于104Hz時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入非平直段，被測(cè)信號(hào)各頻率分量將會(huì)受到不同程度的衰減，會(huì)引起較大的波形畸變，即存在動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差. 曲線2為反濾波器的幅頻特性，連接反濾波器后系統(tǒng)的幅頻特性如曲線3所示，可以看出系統(tǒng)的工作頻帶拓寬至100 kHz，較好地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.

圖 15 測(cè)溫系統(tǒng)工作頻帶的拓寬Fig.15 Widening the working frequency band of temperature measurement system

4 高可靠存儲(chǔ)測(cè)試與防護(hù)

極端環(huán)境下，傳感器件與測(cè)試系統(tǒng)面臨過載沖擊損壞失效、 應(yīng)力波破壞失效、 狹小空間下大容量數(shù)據(jù)丟失或受損等測(cè)試難題，亟需解決極端環(huán)境可靠測(cè)試與防護(hù)方法[14].

1) 提出了測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境因子耦合作用及衰減抑制模型，建立了測(cè)試有效性/可靠性設(shè)計(jì)原則，形成了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)碚撆c方法.

2) 提出了多通道有限容差編碼的實(shí)時(shí)壓縮存儲(chǔ)測(cè)試方法，解決了“黑障區(qū)”狹小空間下長時(shí)間動(dòng)態(tài)測(cè)試的難題.

3) 提出了多層復(fù)合、 隔離緩沖、 柔性灌封、 弓形走線綜合防護(hù)方法，實(shí)現(xiàn)了3 000 ℃瞬態(tài)高溫、 20×105g高沖擊、 800 MPa高壓環(huán)境下測(cè)試系統(tǒng)防護(hù)，解決了測(cè)試系統(tǒng)在極端環(huán)境下工作可靠性問題.

5 發(fā)展路線規(guī)劃

經(jīng)過30多年的努力，中北大學(xué)在高溫測(cè)試與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)方面的關(guān)鍵技術(shù)研究有長足的進(jìn)步，性能有大幅提高. 今后主要圍繞我國“臨近空間飛行器” “航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)” “載人航天”和“嫦娥工程”等國家重大工程需求，解決超高溫環(huán)境下的多參量物理場(chǎng)原位動(dòng)態(tài)測(cè)量難題，形成具有高溫傳感與測(cè)試方法的特色研究方向. 待攻克關(guān)鍵技術(shù)如下：

1) 高溫環(huán)境下多參數(shù)動(dòng)態(tài)敏感方法.

2) 高溫材料/微結(jié)構(gòu)跨尺度集成制造.

3) 多參數(shù)高溫物理場(chǎng)重建與分析方法.

4) 高溫條件下多參數(shù)溯源性校準(zhǔn)方法.

6 結(jié) 論

本文梳理了極端環(huán)境下的高溫傳感器件與動(dòng)態(tài)測(cè)試方法. 研發(fā)了鎢錸合金絲長時(shí)間(10 min)高溫(3 000 ℃)傳感器、 瞬態(tài)(ms、 0.1 ms)原子發(fā)射光譜雙譜線測(cè)溫器(理論無上限，實(shí)測(cè)值受標(biāo)定技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器的制約)、 藍(lán)寶石光纖黑體腔高溫傳感器(ms、 0.1 ms、 2 000 ℃，藍(lán)寶石熔點(diǎn)為2 047 ℃)及相應(yīng)的標(biāo)定方法，解決了高溫、 高壓、 高沖擊、 高旋轉(zhuǎn)、 強(qiáng)噪聲等極端環(huán)境下的高溫參數(shù)測(cè)試難題. 同時(shí)提出了瞬態(tài)表面溫度傳感器溯源性動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，使我國表面溫度測(cè)量儀器或測(cè)量系統(tǒng)指示的量值能以特定的測(cè)量不確定度溯源到國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)建立我國動(dòng)態(tài)溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)具有非常重要的意義.