李成浩 劉顯明 章 鵬 雷小華 陳偉民

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院光電技術(shù)研究室教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

1 引 言

溫度傳感器是利用某種物理效應(yīng)來反應(yīng)溫度變化的器件，其種類十分豐富。在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中，大范圍成熟應(yīng)用的溫度傳感器主要為熱電偶和熱電阻。熱電偶是一種利用熱電效應(yīng)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換的溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、測量溫度準(zhǔn)確度高、成本低廉且測溫范圍廣泛，可達(dá)(-200～1700)℃[1]。熱電阻則利用了電阻隨溫度發(fā)生變化的物理效應(yīng)，溫度變化將導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號。相對于熱電偶，其原理更為簡單，但在高溫下非線性效應(yīng)嚴(yán)重，因此測溫范圍一般為(-200～600)℃[1]。除了應(yīng)用最為廣泛的兩大類傳感器之外，還有眾多針對于特殊場景而設(shè)計(jì)的溫度傳感器，例如應(yīng)用于紅外溫度傳感器、二極管溫度傳感器等。

溫度傳感器測溫特性可分為穩(wěn)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性。穩(wěn)態(tài)特性主要包括傳感器輸出信號的線性度、精度以及重復(fù)性，動(dòng)態(tài)特性則是指溫度傳感器對外部溫度變化的響應(yīng)能力。早在1976年Warren C等人就指出：當(dāng)對變化的溫度進(jìn)行測量時(shí)，絕大部分熱電阻的響應(yīng)速度會(huì)比溫度的變化速度慢[2]，為了衡量溫度傳感器的響應(yīng)速度，通常使用時(shí)間常數(shù)這個(gè)指標(biāo)。它體現(xiàn)了傳感器對外部溫度變化跟隨的能力。

2 時(shí)間常數(shù)定義

時(shí)間常數(shù)的概念來自于控制理論，它表示一階系統(tǒng)面對階躍輸入時(shí)，輸出信號變化至增幅階躍63.2%所需要的時(shí)間[3]。為能在理論上計(jì)算溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)，需要對傳感器整個(gè)傳熱過程建立物理模型進(jìn)行傳熱分析。對于某個(gè)處于實(shí)際應(yīng)用場景中的溫度傳感器，其自身溫度場會(huì)隨時(shí)間不斷發(fā)生變化。由于傳感器與外界傳熱的功率受到內(nèi)外溫差影響，溫度變化導(dǎo)致傳熱功率處于非穩(wěn)態(tài)，此過程被稱為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。在研究非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的過程中，當(dāng)溫度傳感器內(nèi)部溫度傳導(dǎo)速度遠(yuǎn)大于界面處熱量傳遞速度時(shí)，為了更加方便地描述溫度傳感器的外部感溫過程，可采用零維集總參數(shù)模型對界面處傳熱過程進(jìn)行描述[4]。即將溫度傳感器看作一個(gè)勻質(zhì)圓球，球體內(nèi)部任意位置溫度均相等記為T，傳感器周圍環(huán)境溫度恒定記為T0，最終傳感器發(fā)生傳熱后的穩(wěn)態(tài)溫度記為T∞。

規(guī)定m、C、A、h分別為傳感器的質(zhì)量、比熱容、傳熱界面的面積以及傳熱系數(shù)，根據(jù)牛頓冷卻定律，傳感器的溫度與時(shí)間變化關(guān)系為：

(1)

在公式(1)中，當(dāng)(T-T∞)/(T0-T∞)=1/e時(shí)，將此時(shí)間的t記為t0.632，按公式(2)計(jì)算。

(2)

t0.632表示溫度傳感器溫度上升到整個(gè)溫度階躍63.2%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，這就是溫度傳感器理論上的時(shí)間常數(shù)，記為τ。根據(jù)上述推導(dǎo)，τ按公式(3)計(jì)算。

(3)

從零維集總參數(shù)模型下τ的理論計(jì)算公式(3)可以看出：溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)受到諸多因素的影響，自身質(zhì)量m與比熱容C，表面積A與不同傳熱情況下的傳熱系數(shù)h。但在溫度傳感器實(shí)際工作中，比熱容C和表面積A將隨溫度改變發(fā)生改變，上述公式主要用于對溫度傳感器響應(yīng)速度進(jìn)行定性分析，難以對時(shí)間常數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。要了解溫度傳感器的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間，需采用試驗(yàn)方法來測定。試驗(yàn)基本測試流程如圖1所示：首先如圖1(a)所示將溫度傳感器置于恒定溫度場環(huán)境中，此時(shí)傳感器輸出穩(wěn)定溫度信號V0。再如圖1(b)所示通過某種方式突然改變環(huán)境溫度，使得環(huán)境溫度發(fā)生階躍跳變，此時(shí)溫度傳感器輸出信號也跟隨發(fā)生變化，但由于存在導(dǎo)熱過程，傳感器需要一定時(shí)間來達(dá)到穩(wěn)定溫度信號輸出，記為Vt。經(jīng)過一段時(shí)間后，傳感器與外圍溫度達(dá)到如圖1(c)所示的熱平衡。采集并記錄如圖2所示的傳感器信號跳變過程，通過對采集的溫度信號進(jìn)行擬合，最終截取出溫度信號上升到Vt與V0之差的63.2%所需要的時(shí)間，記錄為時(shí)間常數(shù)。

圖1 傳感器置于環(huán)境中的傳熱情況

圖2 傳感器溫度信號跳變過程

3 時(shí)間常數(shù)試驗(yàn)測試方法

試驗(yàn)測試流程中溫度階躍的發(fā)生是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這與熱源類型的選用直接相關(guān)。根據(jù)目前測試中所采用熱源的不同，可將溫度傳感器時(shí)間常數(shù)測試方法分為四類，分別是水浴/油浴法、火焰法、高溫氣流法、激光加熱法，其中高溫氣流又可按氣流產(chǎn)生裝置分為熱風(fēng)洞法、激波管法。不同測試方法之間主要區(qū)別是熱源與測試裝置不同。對于不同的溫度傳感器，通常會(huì)根據(jù)其實(shí)際工作環(huán)境下的傳熱場景進(jìn)行選擇，下面對每一種測試方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 水浴/油浴法

該方法主要采用恒溫水或油作為液體熱源，典型的測量裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過自由落體或彈射裝置將溫度傳感器迅速置于液體熱源中，或者將液體熱源迅速地覆蓋于傳感器之外，由于傳感器與液體的瞬間接觸，溫度傳感器輸出階躍變化信號。水浴/油浴法目前已寫入工業(yè)熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，是工業(yè)溫度傳感器最常用的時(shí)間常數(shù)測試方式。

圖3 水浴法典型測試裝置結(jié)構(gòu)

2001年，Buttsworth D R使用自由落體的水滴作為激勵(lì)熱源，對毫秒級薄膜熱電偶進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測試[6]。在此研究中，自由落體的水滴在重力作用下迅速下落并與熱電偶接觸，在偶頭處產(chǎn)生溫度階躍。試驗(yàn)采集到的熱電偶階躍信號上升時(shí)間小于1ms，這表明水浴法能夠用于毫秒級高速溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)測量。

但幾年后，中國計(jì)量學(xué)院祁漫宇等人通過控制自由落體高度控制入水速度的方式對同一只熱電偶進(jìn)行測量[7]，結(jié)果表明從1m、0.5m、0.25m高度落體時(shí)，測量的時(shí)間常數(shù)分別為0.3881s、0.4094s、0.8666s。這表明熱電偶在不同的入水速度下，時(shí)間常數(shù)測試結(jié)果有較大差異，由此可見入水速度會(huì)對時(shí)間常數(shù)測試產(chǎn)生較大影響。

上述兩篇文獻(xiàn)的結(jié)論似乎存在一定矛盾，能夠用于毫秒級響應(yīng)的薄膜熱電偶測試的水浴法，卻在測試秒級響應(yīng)的熱電偶上存在較大不確定性。產(chǎn)生此問題的原因在于溫度傳感器尺寸的變化，尺寸減小意味著熱容減小，熱容更小的薄膜傳感器會(huì)更快實(shí)現(xiàn)熱平衡，從而具有更快的響應(yīng)時(shí)間，因此在本質(zhì)上并不矛盾。

水浴/油浴法能夠?qū)y溫區(qū)間介于水或者油的凝固點(diǎn)與沸點(diǎn)之間的溫度傳感器進(jìn)行測試，測試裝置簡單、成本低。但前面已經(jīng)指出，測試過程中需嚴(yán)控測試條件，例如傳感器與液體接觸速度不一，將導(dǎo)致測試誤差較大。

3.2 火焰法

該方法采用了化學(xué)燃料燃燒對溫度傳感器進(jìn)行熱激勵(lì)，典型測試裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置或者點(diǎn)火使得溫度傳感器迅速與火焰接觸，傳感器瞬間受熱產(chǎn)生溫度階躍。當(dāng)溫度傳感器應(yīng)用于測量特定燃料燃燒產(chǎn)生的火焰溫度時(shí)，此方法可模擬實(shí)際傳熱情形。

圖4 火焰法典型測試裝置結(jié)構(gòu)

2016年，華中科技大學(xué)徐祖?zhèn)サ热酸槍煞N含顆?；鹧妫O(shè)計(jì)了一種共流擴(kuò)散燃燒器，通過燃燒產(chǎn)生兩種二氧化鈦氣溶膠火焰和煤煙火焰，對熱電阻實(shí)現(xiàn)熱激勵(lì)[8]。測試結(jié)果表明，結(jié)點(diǎn)直徑為0.7mm的熱電阻溫度上升曲線能夠符合其理論一階系統(tǒng)的溫度上升曲線。

2017年，中北大學(xué)趙學(xué)敏等人對同一熱電偶分別進(jìn)了水浴法和火焰法的對比測試[9]，測試結(jié)果分別為9.7ms和847ms。這兩種條件下時(shí)間常數(shù)相差近兩個(gè)數(shù)量級，說明不同傳熱條件下熱電阻時(shí)間常數(shù)有極大差異。

采用火焰法進(jìn)行測試的溫度傳感器主要傳熱形式為對流傳熱，雖然在上述水浴/油浴法中傳感器與外界的傳熱形式也為對流傳熱，但由于分別處于液體或氣體的流體環(huán)境，二者的對流傳熱系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，差距能到一至兩個(gè)數(shù)量級。因此，應(yīng)用于測量氣流溫度的傳感器，例如發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒室溫度傳感器，其測試對象為化學(xué)燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫火焰(等離子體)，可采用此種測試方法。此種測試方法能對燃燒火焰與溫度傳感器的傳熱場景進(jìn)行模擬，但需要考慮其它實(shí)際應(yīng)用條件，例如燃燒氣流的流速，否則可能會(huì)存在較大誤差。

3.3 熱風(fēng)洞法

熱風(fēng)洞是一種能產(chǎn)生穩(wěn)定高速熱氣流的溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖5所示[10]。燃料與空氣按照一定程度混合，經(jīng)過預(yù)燃處理后再經(jīng)過穩(wěn)壓段進(jìn)入主燃燒室，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣流經(jīng)過擴(kuò)壓和穩(wěn)壓段后以穩(wěn)定流速從試驗(yàn)口噴出，對試驗(yàn)段的測試溫度傳感器進(jìn)行熱激勵(lì)。對于熱風(fēng)洞而言，熱氣流的產(chǎn)生與停止都不可能在瞬間完成，為此，傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試需要在自身與熱風(fēng)口之間放置一個(gè)耐高溫?fù)醢鍙椛溲b置。起初，熱氣流由于擋板遮擋沒有直接噴射到傳感器，傳感器實(shí)際溫度較低。隨著彈射裝置的啟動(dòng)，擋板在瞬間被彈開，熱氣流失去了擋板的阻礙而直接噴射到溫度傳感器上使其溫度急劇升高，形成了一個(gè)溫度階躍。

圖5 熱風(fēng)洞法典型測試裝置結(jié)構(gòu)

上世紀(jì)70年代美國國家航空航天局(NASA)在TP1099技術(shù)報(bào)告中，利用此裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，報(bào)告給出了不同系列尺寸的屏蔽式與裸露式熱電偶溫度傳感器的恢復(fù)修正系數(shù)、輻射修正系數(shù)和時(shí)間常數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果[11]，并歸納出部分經(jīng)驗(yàn)公式。在大量校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及誤差機(jī)理研究基礎(chǔ)上，對航空、航天領(lǐng)域使用的溫度范圍為室溫至1100℃的氣流溫度傳感器進(jìn)行了規(guī)范。國內(nèi)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所從上世紀(jì)70年代開始對氣流溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性問題展開研究，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)具備了完善的校準(zhǔn)試驗(yàn)條件和方法[12]。

熱風(fēng)洞法與火焰法對于溫度傳感器的激勵(lì)源均為高溫?zé)釟饬鳎鄬τ诨鹧娣?，熱風(fēng)洞法更能具體準(zhǔn)確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的工作環(huán)境。通過調(diào)整熱風(fēng)洞裝置的工作狀態(tài)參數(shù)，可以對燃燒狀態(tài)、熱氣流馬赫數(shù)、熱氣流溫度進(jìn)行較為精確的控制。這種方法在測試發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器中十分常用，但由于熱風(fēng)洞裝置十分復(fù)雜，造價(jià)與測試成本也十分高昂。同時(shí)，在上述校準(zhǔn)系統(tǒng)中，溫度階躍的產(chǎn)生是通過彈簧機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際溫度階躍并沒有足夠理想，因此并不適合超快響應(yīng)的溫度傳感器校準(zhǔn)。一般當(dāng)傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在20ms以下時(shí)，其校準(zhǔn)結(jié)果就會(huì)表現(xiàn)出較大的分散性[13]。

2012年，Terzis A等人為研究熱電偶導(dǎo)熱過程中傳熱系數(shù)的變化情況，采用多個(gè)高溫氣流噴嘴對不同直徑的熱電偶進(jìn)行了熱激勵(lì)實(shí)驗(yàn)[14]。結(jié)果表明，駐點(diǎn)區(qū)域熱傳遞對熱電偶響應(yīng)時(shí)間有顯著影響。

2014年，楊兆鑫等人介紹了一種基于電加熱理論原理改進(jìn)的風(fēng)洞儀器設(shè)備[15]。通過研究激波沖擊過程的溫度振幅變化，分析低溫區(qū)的溫度抖動(dòng)以及高溫區(qū)溫度持續(xù)時(shí)間等各種因素的影響。根據(jù)分析結(jié)果對傳統(tǒng)激波管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)并對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)來補(bǔ)償優(yōu)化，采用優(yōu)化前后的設(shè)備分別對同一熱電偶進(jìn)行測試，時(shí)間常數(shù)從4s變?yōu)?s，可見設(shè)計(jì)后的設(shè)備可產(chǎn)生更為理想的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號。

此種測試方法雖然能夠很好的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部不同階段的氣流溫度及流速等情況，但其溫度階躍的產(chǎn)生通過機(jī)械彈射裝置實(shí)現(xiàn)較為簡單，彈射速度較慢且具有較多不可控因素。因此面對高速溫度傳感器時(shí)，此種方法會(huì)帶來較大的相對誤差。

3.4 激波管法

為解決氣流溫度傳感器中彈射產(chǎn)生的溫度階躍不夠理想的問題，采用超聲速空氣動(dòng)力學(xué)激波發(fā)生器(激波管)來形成一個(gè)瞬時(shí)的高壓高溫脈沖氣流作為溫度傳感器的激勵(lì)熱源，在測試高速響應(yīng)溫度傳感器時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

激波管法測試系統(tǒng)如圖6所示[16]。系統(tǒng)關(guān)鍵裝置激波管由兩段封閉柱形長腔組成，兩段長腔中間使用膜片進(jìn)行間隔，左邊腔室中沖入低壓氣體，在其最左端固定被測試溫度傳感器，右側(cè)腔室中充入高壓氣體。觸發(fā)膜片破裂條件后，右側(cè)高溫高壓氣體以超高的速度沖擊至左端腔室，給予左端傳感器一個(gè)瞬間的溫度階躍。由于右側(cè)高壓氣流速度快至每秒上萬米[17]，因此溫度階躍十分理想。

圖6 激波管法典型測試裝置結(jié)構(gòu)

2005年大連工學(xué)院沈勝強(qiáng)等人對微納薄膜熱電偶采用激波管動(dòng)態(tài)測試法[18]，實(shí)現(xiàn)對時(shí)間常數(shù)70μs的微納膜厚熱電阻的成功測試，可見此種測試方式能夠?qū)ξ⒚爰墱囟葌鞲衅鬟M(jìn)行測試。

2017年，李進(jìn)平使用激波管完成對E型同軸熱電偶響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[19]，研究中采用激波管對響應(yīng)時(shí)間為100μs以下的薄膜熱電偶進(jìn)行了標(biāo)定測試，結(jié)果顯示激波管能產(chǎn)生均勻超聲速流動(dòng)氣體，且其駐點(diǎn)熱流密度可被預(yù)測，因此得出結(jié)論激波管也可用于其它類型瞬態(tài)熱流密度計(jì)的標(biāo)定。

激波管法雖能為溫度傳感器提供理想的溫度階躍，但其高溫持續(xù)時(shí)間十分短暫，若溫度傳感器熱容較大，則激波給予其熱激勵(lì)的時(shí)間無法持續(xù)到傳感器具有穩(wěn)態(tài)輸出。因此該方法只適用于微納高速響應(yīng)溫度傳感器。并且可以預(yù)見，在測試過程中，為使激波產(chǎn)生的熱激勵(lì)持續(xù)時(shí)間與傳感器熱容匹配，高溫氣流的速度也需要通過多次測試進(jìn)行選定，這樣就降低了測試效率，增加了測試成本。

3.5 激光加熱法

激光能量密度高且易于精確控制，常被用作一種較為理想的熱源。同時(shí)，得益于薄膜熱電偶偶結(jié)的扁平形狀特征，激光能量能夠被傳感器有效吸收。采用激光加熱法的典型裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過調(diào)制后聚焦照射在溫度傳感器感溫區(qū)域內(nèi)，使得傳感器產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的溫升，達(dá)到熱激勵(lì)的效果。該方法對于測試瞬間大溫變的高速溫度傳感器具有很大的優(yōu)勢，采用調(diào)制激光同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在指定溫度區(qū)間內(nèi)對傳感器的理想熱激勵(lì)。

圖7 激光加熱法典型測試裝置結(jié)構(gòu)

最初采用激光照射法的研究始于1989年，美國海軍研究生院采用布拉格盒作為聲光調(diào)制器，利用調(diào)制出的斬波激光對熱電阻傳感器進(jìn)行照射使其產(chǎn)生階躍響應(yīng)[20]，對響應(yīng)時(shí)間處于100ms量級的溫度傳感器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性測試。

之后，應(yīng)用激光于薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)性能測試的研究越來越多。2000年，Serio B利用釹玻璃激光器發(fā)出的激光脈沖對金/鈀薄膜熱電偶進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測試[21]，結(jié)合理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寬8μm的金/鈀薄膜熱電偶響應(yīng)時(shí)間為1μs左右，這證實(shí)了激光加熱法能夠進(jìn)行毫秒級高速溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)測試。

2005年，Buttsworth D R使用脈沖激光對表面熱電偶進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試[22]，理論研究了不同維度導(dǎo)熱模型下不同腐蝕形狀的熱電偶對于脈沖響應(yīng)一致性的影響，當(dāng)熱傳遞時(shí)間尺度小于1ms時(shí)，不同類型的帶狀結(jié)點(diǎn)會(huì)對熱電偶響應(yīng)產(chǎn)生影響，且都不會(huì)遵循一維導(dǎo)熱模型。

2006年，中北大學(xué)研究人員采用CO2激光器作為激勵(lì)源對微納薄膜熱電偶進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)測試[23]。該測試方案將動(dòng)靜態(tài)測試合為一體，對輻射引起的誤差進(jìn)行了消除，并且避免了位置移動(dòng)帶來的影響，最終由紅外探測器與溫度傳感器響應(yīng)曲線推算出溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于1μs。

2010年，中北大學(xué)的閆潔與郝麗娜提出利用高功率可調(diào)頻的CO2激光器作為驅(qū)動(dòng)源，對6種不同材料及尺寸的熱電偶進(jìn)行不同溫度范圍的加熱[24，25]。其溫度階躍幅值介于(100～2000)℃之間，測試的時(shí)間常數(shù)分布于微秒量級至秒量級。這一研究表明了激光加熱法具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試能力和溫度區(qū)間可控性，因此可廣泛適用于測試不同響應(yīng)時(shí)間量級、不同工作溫度區(qū)間的溫度傳感器。

由以上可以看出，近些年來出現(xiàn)的高速溫度傳感器——薄膜熱電偶，對其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的測試主要采用激光作為激勵(lì)源，其中又以脈沖激光器應(yīng)用最為廣泛，利用大功率脈沖激光器，通過調(diào)節(jié)輸出脈沖激光的寬度及強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)對傳感器進(jìn)行短脈沖、高溫區(qū)的加熱[26]。

雖然采用激光加熱法有種種優(yōu)點(diǎn)，但相對于其它熱源，激光照射加熱過程的傳熱形式是輻射傳熱，這在本質(zhì)上區(qū)別于對流傳熱，二者無直接聯(lián)系。大多數(shù)溫度傳感器的應(yīng)用場景傳熱形式都為對流傳熱，因此，采用激光加熱法測試的熱電阻時(shí)間常數(shù)難以用于評價(jià)實(shí)際工作中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

4 不同測試方法對比分析

現(xiàn)有的試驗(yàn)測試方法中，水浴/油浴法和火焰法最為常見，這兩種方式是目前工業(yè)上溫度傳感器測試應(yīng)用最多的方法，價(jià)格低廉的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)在(0～300)℃之間的任意溫度子區(qū)間內(nèi)模擬實(shí)際工作的傳熱場景——傳感器與液體對流傳熱。但在其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測試過程中，產(chǎn)生溫度階躍的方式中不可控因素較多，因而一般應(yīng)用于對測試精度要求不高以及響應(yīng)速度不快的場合。

熱風(fēng)洞法與激波管法測試對象均為高溫氣流，兩種方法均根據(jù)其測試裝置命名。熱風(fēng)洞造價(jià)昂貴，主要用于測試航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器，穩(wěn)定的氣流流速與溫度能很好的滿足靜態(tài)標(biāo)定要求。而在動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試中，通常采用機(jī)械式的擋板彈射來產(chǎn)生溫度階躍，在高響應(yīng)速度傳感器測量時(shí)存在較大誤差。

為解決氣流溫度傳感器動(dòng)態(tài)測試中溫度階躍不夠理想的問題，選擇合適的熱源發(fā)生裝置最為關(guān)鍵。在此方面，能夠產(chǎn)生超高速氣流的激波管自然是最佳選擇，現(xiàn)今高速氣流溫度傳感器的研究文章中大多采用激波管法，激波管成本低廉，溫度階躍理想，最能符合動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試的要求。但其局限性在于激波管的高速氣流持續(xù)時(shí)間十分短暫，一般不超過毫秒量級[27]，因此不適用于響應(yīng)時(shí)間高于毫秒級的溫度傳感器。

激光加熱法旨在對溫度傳感器精確與定量測試，激光照射能產(chǎn)生理想能量脈沖與階躍，對于動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試十分有利。且由于激光能量密度大，理論上能將傳感器局部的溫度從室溫加熱到傳感器材料熔點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)任意溫區(qū)下對高溫溫度傳感器的熱激勵(lì)。但其缺陷亦十分明顯，激光與溫度傳感器的傳熱形式為輻射傳熱，這與對流傳熱相差較大，兩種傳熱形式下測試結(jié)果不能通用，因而實(shí)際應(yīng)用中很少采用此種方法。

傳統(tǒng)的測試方式的特點(diǎn)如表1所示，縱觀現(xiàn)有測試方式可以發(fā)現(xiàn)，它們之間的差異主要由激勵(lì)源劃分。以微觀的角度來說，熱交換本質(zhì)上就是粒子之間的碰撞，激勵(lì)熱源的種類與狀態(tài)決定了與溫度傳感器發(fā)生碰撞的粒子的類型，粒子之間的間隙，這在很大程度上決定了傳熱效率。因此，有必要發(fā)展出多種不同的測試方法針對不同的熱源，來模擬實(shí)際工作中具體的傳熱情形。實(shí)際測試過程中，為保證測試精度，還需要采用不同設(shè)備，來保證粒子的其它屬性，例如粒子的振動(dòng)情況，粒子的運(yùn)動(dòng)速度，反映到宏觀上就成了外部熱源的溫度與熱源的流速。因此，激勵(lì)熱源與測試裝置的組合，就決定了測試方法的適用性與優(yōu)劣性。

表1 不同測試方法特征對比Tab.1 Characteristiccomparisonofdifferenttestmethods測試方式激勵(lì)熱源主要傳熱形式優(yōu)勢劣勢水浴/油浴階躍法高溫液體對流傳熱裝置簡單、成本低廉誤差較大,溫區(qū)較窄火焰法燃燒火焰對流傳熱可模擬不同燃燒狀態(tài)誤差較大熱風(fēng)洞法高溫氣流對流傳熱對氣流流速溫度精確控制成本高昂,階躍不理想激波管法高溫氣流對流傳熱溫度階躍理想階躍持續(xù)時(shí)間太短激光加熱法高能激光輻射傳熱溫度階躍理想傳熱形式與實(shí)際不一致

5 結(jié)束語

近年來國防及航天科技發(fā)展迅速，許多測溫場景對溫度傳感器的測量速度提出了更高的要求。例如在軍事武器相關(guān)的彈藥燃燒爆炸研究中，需要對瞬態(tài)溫度變化范圍數(shù)千攝氏度的爆炸場進(jìn)行溫度測量，得到爆炸場的瞬時(shí)溫度分布及變化情況[28～31]。微納溫度傳感器是此類高速應(yīng)用場景的唯一選擇，然而面對微納傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的評價(jià)，傳統(tǒng)測試方法已難以滿足應(yīng)用需求，各種測試方法之間結(jié)果差異較大。

想要客觀統(tǒng)一地評價(jià)高速溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，必須制定出一套科學(xué)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能實(shí)驗(yàn)評價(jià)方案。激光加熱法由于能實(shí)現(xiàn)對熱源的精準(zhǔn)控制是理論最佳選擇，但至今激光照射法在實(shí)際中沒有得到普遍應(yīng)用，一個(gè)主要原因就是采用激光對溫度傳感器進(jìn)行熱激勵(lì)時(shí)，主要傳熱形式為輻射傳熱，這與實(shí)際應(yīng)用中的對流傳熱大相徑庭。這個(gè)問題反應(yīng)了理論上不同傳熱形式之間的聯(lián)系缺失，若能在理論上建立不同傳熱形式之間的聯(lián)系，從而在實(shí)際測試中對不同熱源場景下測試結(jié)果進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換，激光照射法才能夠最終真正走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。