王俊峰，李晉英

( 1.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051;2. 山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

引言

溫度是衡量物體冷熱程度的物理量，是表征對象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)。在傳統(tǒng)的測溫技術(shù)領(lǐng)域，尤其是在兵器科學技術(shù)領(lǐng)域中，瞬態(tài)溫度是許多兵器理論研究和實際應用中的重要參數(shù)，瞬態(tài)高溫的準確測量是至關(guān)重要的。在傳統(tǒng)測溫領(lǐng)域中，由于熱電偶的溫度響應特性較慢(約1 s)，使被測溫度與實際溫度存在較大誤差和滯后；熱電阻式傳感器所適用的溫度范圍(-200 ℃～600 ℃)不能滿足高溫場合；紅外溫度傳感器容易受到火炮膛內(nèi)以及爆炸場等惡劣環(huán)境下煙霧的干擾,影響測量精度。因此，為了精確測得瞬態(tài)高溫，迫切需要一種耐高溫、響應特性快并且受環(huán)境因素影響較小的測試裝置[1-2]。

本傳感器正是針對瞬態(tài)高溫測量中溫度高、變化快、可能伴有高壓或高速流動氣流、一次性過程居多的特點而研發(fā)設(shè)計。該傳感器外形尺寸小，可測量微小空間內(nèi)的瞬態(tài)高溫受環(huán)境因素影響較小，適用于火炮膛內(nèi)、爆炸場等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下的瞬態(tài)高溫測量[3]，并且它能夠克服熱電偶、熱電阻、紅外傳感器等顯現(xiàn)的缺點，在瞬態(tài)高溫測量領(lǐng)域具有很好的應用前景。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)組成

該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元和信號調(diào)理單元組成。溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀高強度金屬外殼構(gòu)成，外殼尺寸為φd×H=20.20 mm×36.40 mm。黑體輻射溫度敏感體以藍寶石為基底，在藍寶石基底前表面沉積金屬薄膜，在金屬薄膜上面濺射熱導率高的金剛石膜/氧化鋁陶瓷基復合材料，在藍寶石基底后表面采用脈沖激光沉積工藝鍍上窄帶濾光膜，在窄帶濾光膜后面設(shè)置SSPM固態(tài)光電倍增管；信號調(diào)理單元由信號調(diào)理電路構(gòu)成，光電變換器和溫度信號調(diào)理電路采用環(huán)氧樹脂整體固化并可設(shè)置在該溫度傳感器內(nèi)部[4]，外殼與外殼基底采用螺紋連接，整體截面圖如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)截面圖Fig.1 Sectional drawing of overall structure

1.2 結(jié)構(gòu)材料選取

本結(jié)構(gòu)中，所述的圓柱狀高強度金屬外殼為馬氏體時效鋼。藍寶石基底為藍寶石α-Al2O3單晶(膜厚約5 mm)，其物理化學性能穩(wěn)定，機械強度好，本質(zhì)絕緣，耐腐蝕,在0.3 μm～4.0 μm波段范圍內(nèi)透光性很好，熔點高達2 045 ℃。金屬薄膜為金屬鉬Mo(膜厚約20 μm)，根據(jù)其熔點高達2 620 ℃、輻射能在2 330 ℃時達 700 000.0 W/m2，與藍寶石膜有良好的附著力及熱膨脹系數(shù)匹配,具有較高的發(fā)射率并隨著溫度的升高而增大等特點。熱導率高的陶瓷薄膜為金剛石膜/氧化鋁陶瓷基復合材料 (膜厚約3 mm)，熔點高，熱膨脹系數(shù)小，導熱系數(shù)高，并能夠保護金屬薄膜，防止金屬薄膜層被高溫氧化[5-6]。窄帶濾光膜采用中心波長為680 nm、帶寬為30 nm的TiO2材料制造的光學濾光膜(膜厚約10.0 nm～100.0 nm)。導線1為光電探測器與適配電路連接導線；導線2為適配電路信號線。

2 設(shè)計原理

2.1 設(shè)計思路

傳感器采用一體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)，使測量的溫度信號實現(xiàn)熱能-輻射光能-電能信號的連續(xù)轉(zhuǎn)換。具體過程為：首先由陶瓷薄膜快速感知熱量并迅速與被測溫度場達熱平衡，并刺激金屬薄膜產(chǎn)生輻射光信號，經(jīng)過濾光薄膜由SSPM固態(tài)光電倍增管將輻射光信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸給內(nèi)部信號調(diào)理電路進行分析處理，最后將被處理的信號輸出給某些存儲裝置。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure block diagram of sensor

2.2 工作原理

本傳感器工作原理采用輻射式測溫技術(shù)和接觸式測溫技術(shù)有機結(jié)合的方法，根據(jù)Planck黑體輻射定律，溫度敏感單元置于溫度為T的區(qū)域時，其單色輻射通量為

(1)

式中：λ為輻射波長；T為物體的絕對溫度；C1、C2分別為第一、第二輻射系數(shù)；輻射光信號傳入

SSPM固態(tài)光電倍增管后輸出的電流為

(2)

式中：λ、Δλ分別為輻射光的波長和帶寬；R(T)可由數(shù)值積分得到；K取決于光信號傳輸過程中的損耗與光電倍增管靈敏度的系數(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)標定得到[7]。

2.3 適配電路

傳感器適配電路為圖2中信號調(diào)理電路，主要由電池、電源管理模塊、信號放大電路和濾波電路組成。光電倍增管信號輸出端聯(lián)接溫度信號調(diào)理電路的輸入端Vin，經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理分析由信號輸出接口Vout以導線方式輸出。根據(jù)普朗克黑體輻射定律可知，該黑體輻射溫度敏感體部分所產(chǎn)生的輻射光信號，經(jīng)光電倍增管接收處理后以電流的對數(shù)形式輸出，具體適配電路圖由圖3所示。

圖3 適配電路圖Fig.3 Schematic of adapter circuit

3 仿真分析

本傳感器仿真分析部分主要利用ANSYS有限元分析軟件，對黑體輻射溫度敏感體中的黑體感溫薄膜進行瞬態(tài)熱傳導仿真分析，分析過程中所施加的瞬態(tài)高溫溫度載荷為2 000 ℃、2 500 ℃、3 000 ℃，得出其溫度隨時間的變化曲線，從而得到此溫度傳感器響應時間。

3.1 材料模型及參數(shù)

傳感器所選黑體感溫薄膜為金剛石膜/氧化鋁陶瓷基復合材料，該復合材料由厚度為2.6 mm的金剛石薄膜和主晶相為α-Al2O3、純度為95%、厚度為0.4 mm的Al2O3陶瓷基片,采用熱絲化學氣相沉積(HFCVD)方法構(gòu)成[8]。其熱力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 金剛石膜/氧化鋁陶瓷基復合材料熱力學性能參數(shù)表Table 1 Thermodynamic performance parameters of diamond film/alumina ceramic matrix composites

3.2 幾何模型的建立

本文所建立的幾何模型結(jié)合傳感器整體結(jié)構(gòu)、所選材料模型及參數(shù)來構(gòu)造，單位定為g-cm-ms-℃。結(jié)構(gòu)選擇上、下表面直徑分別為1.80 cm、1.72 cm與厚度為3 mm的圓錐狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 幾何模型Fig.4 Geometric model

由于該瞬態(tài)高溫傳感器應用于瞬態(tài)高溫測量領(lǐng)域，故在ANSYS仿真分析中采用瞬態(tài)熱分析部分，選單元類型為Thermal Solid-Brick 8node70 八節(jié)點三維六面體單元。黑體感溫薄膜在整個熱傳導過程中遵循傅里葉定律：

(3)

3.3 模型仿真

對所構(gòu)造的幾何模型采用ANSYS有限元分析軟件進行仿真，給黑體感溫薄膜上表面分別施加2 000 ℃、2 500 ℃和3 000 ℃的瞬態(tài)溫度載荷，對其進行仿真分析，進而得出該瞬態(tài)高溫傳感器的響應時間。

當施加的溫度載荷為2 000 ℃與傳熱時間為0.16 ms時，黑體感溫薄膜整體溫度分布云圖如圖5所示；溫度隨時間變化曲線如圖6所示。

圖5 黑體感溫薄膜整體溫度分布云圖Fig.5 Cloud diagram of blackbody thermal film overall temperature distribution

圖6 溫度隨時間變化曲線Fig.6 Temperature change curve over time

當施加的溫度載荷為2 500 ℃，傳熱時間為0.18 ms時，黑體感溫薄膜整體溫度分布云圖如圖7所示；溫度隨時間變化曲線如圖8所示。

圖7 黑體感溫薄膜整體溫度分布云圖Fig.7 Cloud diagram of blackbody thermal film overall temperature distribution

圖8 溫度隨時間變化曲線如圖Fig.8 Temperature change curve over time

當施加的溫度載荷為3 000 ℃，傳熱時間為0.20 ms時，黑體感溫薄膜整體溫度分布云圖9所示；溫度隨時間變化曲線如圖10所示。

圖9 黑體感溫薄膜整體溫度分布云圖Fig.9 Cloud diagram of blackbody thermal film overall temperature distribution

圖10 溫度隨時間變化曲線圖Fig.10 Temperature change curve over time

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)溫度分布云圖和整體溫度隨時間變化的曲線圖，可得出結(jié)論：1)在2 000 ℃～3 000 ℃的瞬態(tài)高溫測量中，其感溫薄膜部分的響應時間t1≤498 μs，根據(jù)SSPM固態(tài)光電倍增管具有快速響應的特性，可知其響應時間t2≤1 ns[10]，根據(jù)普朗克黑體輻射定律結(jié)合金屬鉬較高的反射率，可計算得出其金屬薄膜的響應時間t3≤92 μs，從而可得出該瞬態(tài)高溫傳感器的總響應時間t=t1+t2+t3≤590.001 μs。說明該傳感器響應時間快的特點；2)當施加的溫度載荷為2 000 ℃、2 500 ℃、3 000 ℃時，下表面感知到1 800 ℃的高溫所用時間分別為202 μs、124 μs、81 μs，說明該瞬態(tài)高溫載荷越大，該傳感器的傳熱效率越高。

4 結(jié)論

本文采用輻射式測溫技術(shù)和接觸式測溫技術(shù)，通過選取特殊材料并對整體結(jié)構(gòu)采取合理防護，設(shè)計了一種新型瞬態(tài)高溫傳感器。經(jīng)理論分析結(jié)合ANSYS有限元分析軟件瞬態(tài)熱傳導分析，得出其整體響應時間t≤590.001 μs，并且該傳感器具有瞬態(tài)溫度載荷越大傳輸效率越高的特點。適合瞬態(tài)高溫測量領(lǐng)域，能夠克服惡劣環(huán)境的影響，具有較好的應用前景。

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