劉成利， 王振廷， 賀天昊， 齊 娜， 王元委

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

隨著航天器不斷向高端領域進展，對航天器上搭載的各類傳感器要求也越來越高。根據航天器上復雜惡劣的應用環(huán)境，對于接觸式的傳感器要求所使用的傳感器不僅要測量2 000 ℃以上的超高溫，在全溫區(qū)也要有高精度和非線性優(yōu)的特點[1，2]。溫度是表征物理冷熱程度的物理量，是航天領域一個重要的測量參數[3]。目前測量高溫的接觸式傳感器一般有J型熱電偶、K型熱電偶、鎢錸型熱電偶等，相比于J型和K型等熱電偶[4]，鎢錸型熱電偶能夠測量超過2 300 ℃的高溫，短時間測量可以達到2 700 ℃，能夠滿足航天器對測量的需求。熱電偶的材料一般都比較貴重，而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制端，但常常起不到補償作用，因此，還需要用冷端補償的方法來消除冷端對測溫的影響[5]。

本文提出了一種高精度的冷端補償技術，設計了能夠耐受超高溫的探頭結構，通過參數仿真及理論計算分析，將傳感器的非線性誤差控制在滿量程的0.25 %，全溫區(qū)精度控制在滿量程的1.5 %，經傳感器結構仿真分析及溫度試驗，仿真測試結果表明：該超高溫溫度傳感器不僅能夠耐受2 700 ℃高溫，在全溫區(qū)保持高精度的溫度測量，而且能夠實現傳感器在惡劣環(huán)境下的高低溫交替測量。

1 傳感器的工作原理

傳感器工作原理如圖1所示，探頭的鎢錸熱電偶絲是將外界溫度信號轉換為微弱的電壓信號，通過補償導線將電壓信號傳遞給變換器。在變換器內部，將探頭的微弱信號進行差分放大。同時，鉑電阻與分壓放大電路組成冷端補償電路，冷端補償電路的輸出與探頭放大后的信號進行加法運算得到精確的溫度信號，再經調零點、滿量程電路輸出滿足要求的標準電壓信號[6]。

圖1 傳感器工作原理框圖

傳感器采用熱穩(wěn)定性可靠、耐高溫的鎢錸熱電偶作為感溫元件，并在冷端-40～70 ℃范圍內對傳感器進行溫度補償，在實現高溫區(qū)溫度測量的同時，實現低全溫區(qū)的高精度溫度測量[7]。鎢錸熱電偶的特點是：熱電極絲熔點高(3 300 ℃)，在非氧化性氣氛中化學穩(wěn)定性好，長期使用溫度為2 400 ℃，短期使用可最高達3 000 ℃[8]。

2 溫度傳感器的探頭設計

2.1 傳感器探頭結構設計

傳感器要耐受2 700 ℃高溫，除熱電偶的選取外，其熱電偶絲的固定方式也是設計的重點，固定熱電偶絲的捆綁線耐受溫度為450 ℃左右，因此,要求捆綁線外需要一定的隔熱措施。由圖2可以看出，傳感器除熱電偶絲裸露在外，其他固定偶絲用的材料外都設計了隔熱保護套。

圖2 探頭內部結構

探頭敏感元件為鎢錸熱電偶絲，其固定主要由雙孔瓷管及捆綁線組成，偶絲固定后在殼體中填充919膠再次固定[9]，填充919膠也可以起到一定隔熱作用。外部隔熱外殼采用耐高溫的鎢鉬合金。

2.2 探頭隔熱仿真分析

探頭暴露于2 700 ℃高溫下，除鎢錸偶絲外，其余部分在短時間內也應承受高溫，尤其是固定偶絲的捆綁線，因此,捆綁線外要求覆蓋隔熱層，現對探頭進行熱力學仿真分析。圖3為未填充膠的傳感器外殼熱分布圖，外殼密度參數為7 850 kg·m-3,導熱系數為60.5 W·m-1·℃-1，鎢鉬合金外殼能夠起到一定的隔熱作用[10]。

圖3 未填充膠的傳感器外殼熱分布

在外殼和捆綁線中填充919膠，除能起到隔熱作用外，還能夠對捆綁線和偶絲起到一定固定作用，圖4為填充膠的傳感器熱分布圖。外殼密度參數為870 kg·m-3,導熱系數為0.5 W·m-1·℃-1，從圖中可以看出：捆綁線附近的溫度為450 ℃左右，可以滿足傳感器耐2 700 ℃高溫的要求[11]。

圖4 填充膠的傳感器熱分布

3 溫度傳感器的變換器設計

3.1 熱電偶差分放大電路

鎢錸熱電偶產生的熱電勢非常微弱，要求電路的放大倍數比較大，這樣就要求反饋電阻比較大，較大的反饋電阻會帶來溫度漂移誤差[12]。因此本設計采用T型反饋電阻網絡，如圖5所示。

圖5 T型反饋電阻網絡放大電路

對于上述電路，若其放大倍數為Au，則其放大倍數的計算公式為

Au=(R15+R8+R15×R8)/R22×R13

(1)

T型網絡不僅可以實現較大的放大倍數，而且電路中的電阻均小于1 MΩ，在實現較大放大倍數的同時，消除了溫度漂移帶來的影響[13]。

3.2 調零點、滿量程電路

傳感器輸出要求為標準的信號，后端要進行AD采集，因此要求電路輸出的模擬量信號為0.2～4.8 V，通過調零點滿量程電路可以將輸出信號調理成標準信號，電路如圖6所示。

圖6 調零點滿量程電路

3.3 高精度溫度補償電路

在實際檢測過程中，環(huán)境溫度等的改變均會對傳感器產生一定影響，要保證低溫區(qū)的高精度，就必須要對傳感器進行高精度的溫度補償，如圖7所示。

圖7 溫度補償電路

溫度補償區(qū)間為-40～70 ℃，要對溫度區(qū)間內的溫度變化量進行分析，由表1可以看出：-40～70 ℃區(qū)間內，鎢錸偶絲熱電勢每10 ℃的變化量平均值為1 mV。由T型反饋電阻網絡放大后，每10 ℃的變化量平均值為1 mV。根據鎢錸偶絲的變化量調節(jié)高精度溫度補償電路的電阻參數，將R6，R7設置成7.87 kΩ，R2與R3之間相差100 Ω即可實現在補償電路中每10 ℃的變化量平均值為1 mV。

4 實驗測試

4.1 非線性誤差測試

變換器非線性誤差利用信號源代替探頭作為輸入值，鎢錸偶絲在0 ℃時對應的電動勢為0 mV，2 700 ℃時對應的電動勢為42.558 3 mV，用電壓表測量變換器各點輸出電壓值，記錄數據并擬合曲線，得到傳感器理論輸出值。各測試點測試值見表1。

表1 非線性誤差測試結果

非線性誤差計算公式為[14,15]

(2)

式中 ΔVomax為傳感器輸出與理論輸出的最大偏差，mV；Vo10為傳感器滿量程輸出，mV；Vo0為傳感器零點輸出，mV。根據式(2)可以計算出，傳感器的非線性誤差為0.25 %FS。

4.2 全溫區(qū)精度測試

在0～2 700 ℃量程內均勻選取6個溫度點(50，590，1 130，1 670，2 210，2 700 ℃)，連接傳感器探頭與變換器，分別測試變換器各點輸出值，并與理論輸出值對比，計算出理論值與輸出值之間的偏差。各測試點測試值見表2。

表2 全溫區(qū)精度測試結果

全溫區(qū)精度可以根據式(2)推算，全溫區(qū)最大偏差為0.734 V，可以推算出傳感器精度為1.5 %FS。

5 結 論

本文針對航天器較惡劣的使用環(huán)境，設計了一種超高溫高精度溫度傳感器，通過熱力學模型推導，傳感器可實現對2 700 ℃高溫環(huán)境空氣溫度的測量，并在冷端-40～70 ℃范圍內對傳感器進行溫度補償，經傳感器結構仿真分析與溫度試驗表明:設計的傳感器不僅能在超高溫溫度下實現溫度測量，而且非線性誤差控制在滿量程的0.25 %，全溫區(qū)精度控制在滿量程的1.5 %以內，能夠實現傳感器在惡劣環(huán)境下的高溫、高精度測量。