黃漫國, 師鈺璋, 梁曉波, 李 欣, 劉云東, 王 高

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 101111;3.中北大學，山西 太原 030051)

近年來，隨著世界各國在高超聲速飛行器領域的競爭，針對熱流傳感器的研究成為熱點之一[1-5]。飛行器的熱防護離不開表面熱流的精確測量，由于薄膜熱流傳感器具有尺寸小、干擾小、熱容量小、不破壞飛行器表面氣流等特點，故為飛行器表面熱流測量提供了新的測量方法。

1997年，美國路易斯研究中心的Stefanescu等[6]以20 mW He-Ne激光器為熱源，利用帶有240個光圈的斬光器對熱源進行調(diào)制，完成了傳感器的動態(tài)標定。2005年，北京工業(yè)大學的李超[7]研制了基于熱傳導的一種薄膜瞬態(tài)熱流計，以鎢絲鹵素燈為熱源，采取突然開啟、關閉熱源的方式對傳感器進行了瞬態(tài)測試，測得時間常數(shù)為0.063 s。2019年，北京工業(yè)大學的羅瀟等[8]制備了一種可以實現(xiàn)溫度與熱流同時測量的薄膜熱流傳感器，并且利用迅速投擲法，測試了傳感器瞬態(tài)特性。

以上方法可以實現(xiàn)對熱流傳感器動態(tài)特性的測試校準，但是所用方法中，熱源所產(chǎn)生的熱流值較低，且僅能完成低響應熱流傳感器的標定。薄膜熱流傳感器具有耐高溫、體積小和響應速度快的特點，傳統(tǒng)熱風洞法[9]、激波管法[10]和鹵素燈法[11]等難以滿足測試需求。

意大利航空研究中心Martucci等[12]利用激光器完成了戈登式熱流傳感器(Gardon計)的標定實驗研究，結(jié)果說明激光器可以作為熱流傳感器動態(tài)校準的熱流激勵源。此外，激光器作為熱流源具有低功耗、短時間產(chǎn)生MW/m2級大熱流、輸出熱流值精確可控、能量利用率高、操作安全等優(yōu)點。

由于薄膜熱流傳感器具有快速響應的特性，傳統(tǒng)標定方法產(chǎn)生的熱流階躍信號與傳感器動態(tài)特性并不相符，然而激光可以在超短時間內(nèi)使材料表面產(chǎn)生瞬時溫升，所以本文采用高功率光纖輸出半導體激光器作為熱流傳感器的熱流激勵源，設計搭建了熱流傳感器動態(tài)測試系統(tǒng)。為了研究在不同脈沖寬度條件下傳感器的時間常數(shù)的變化，本次實驗選擇脈沖函數(shù)形式的信號為激勵信號、型號為GD-B4-200K的Gardon計進行動態(tài)測試，利用Z-t變換數(shù)學工具完成時間常數(shù)的計算，并分析了不同熱流脈沖激勵寬度的情況下時間常數(shù)的變化情況。通過分析不同熱流脈寬條件下GD-B4-200K型Gardon計的時間常數(shù)值，確定了傳感器動態(tài)標定時激勵源脈沖寬度的量值選取范圍。

1 Gardon計動態(tài)測試理論分析

1.1 Gardon計結(jié)構(gòu)

Gardon計由銅熱沉體、康銅圓箔片和細銅絲3個主要部分組成。通過嵌入、按壓等工藝將康銅圓箔片安裝在無氧銅熱沉體表面；圓箔片與細銅線是利用釬焊的工藝焊接在一起，構(gòu)成一對銅-康銅T型熱電偶，改變使用的焊料可以提高熱流測量上限；康銅圓箔邊緣與無氧銅熱沉體接觸，構(gòu)成另一對T型熱電偶，兩對T型熱電偶的反向串聯(lián)熱電勢作為輸出電勢。兩對熱電偶分別測量康銅圓箔片中心與邊緣的溫度，獲得兩者的溫差即可利用公式推斷出作用于圓箔片表面的熱流值。陶瓷材料填充物起到隔熱、絕緣和固定細銅絲的作用，圖1為Gardon計結(jié)構(gòu)圖。

圖1 Gardon計結(jié)構(gòu)圖

當康銅圓箔片厚度達到μm級、圓箔片直徑達到mm級時，可以滿足入射熱流為一維穩(wěn)態(tài)熱流這一假設，使得圓箔片橫向方向幾乎沒有溫度梯度，而只在徑向方向有溫度梯度。圓箔片表面覆蓋一層黑色的高吸收率涂料層，主要用于改變Gardon計熱輻射或?qū)α鱾鳠岬捻憫匦?，拓寬光譜響應范圍。常見的涂料層材料有乙炔煙灰(吸收率α=0.99)、樟腦煙灰(α=0.98)、黑漆噴射涂層(α=0.94～0.98)和膠態(tài)石墨涂層(α=0.83)[13]。

在實驗開始前，首先對所使用的傳感器進行檢驗，利用數(shù)字萬用表電阻擋測量Gardon計兩個輸出端電阻值來判斷傳感器是否損壞，阻值為固定值Ω級；如果傳感器損壞，則阻值將變?yōu)闊o窮大。實驗前，需要計算判斷熱流傳感器是否會損壞，加載熱流激勵不能超出量程，并且敏感面溫度要小于材料熔點溫度，防止傳感器發(fā)生損壞。

本次實驗所用GD-B4-200K型Gardon計具有能夠直接測量輻射熱流、吸收全光譜范圍的能量和響應時間短等優(yōu)點，所測熱流上限為200 kW/m2，康銅圓箔厚度和直徑分別為200 μm和5 mm，熱流傳感器敏感面材料熔點溫度為200 ℃左右。GD-B4-200K型Gardon計實物如圖2所示。

圖2 GD-B4-200K型Gardon計實物圖

1.2 傳感器動態(tài)測試理論分析

通過分析Gardon計的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合理論和實際經(jīng)驗，并考慮其熱慣性的存在，可以將其視為一階系統(tǒng)進行研究。

時間常數(shù)是傳感器最重要的動態(tài)特性參數(shù)之一。在頻域要保證脈沖激勵信號頻率能夠覆蓋被標定傳感器所有模態(tài)頻率，即對應時域的激勵信號脈沖寬度足夠窄。相對于傳感器時間常數(shù)，能夠?qū)⒓蠲}沖信號視為理想脈沖激勵，此時計算的時間常數(shù)更為精確科學。

Gardon計對單位脈沖熱流輸入的響應為

(1)

式中：q為熱流傳感器輸出熱流值(W/cm2)；q0為熱流傳感器初始熱流值(W/cm2)；qe為單位脈沖熱流激勵輸入后熱流傳感器輸出熱流值(W/cm2)；t為單位脈沖熱流的響應時間(s)；τ為熱流傳感器響應時間(s)。

單位脈沖響應函數(shù)曲線如圖3所示，可表示為

(2)

傳統(tǒng)一階系統(tǒng)脈沖響應時間常數(shù)計算方法中取響應曲線下降沿中斜率最大的點的切線與時間軸的交點作為脈沖信號激勵的時間常數(shù)。此方法只利用了傳感器整個脈沖響應曲線上的有限個數(shù)據(jù)點，測試結(jié)果誤差較大，不能在實際工程中應用。

圖3 一階系統(tǒng)脈沖響應曲線

本文采用Z-t變換來計算一階系統(tǒng)脈沖響應的時間常數(shù)，使用到了系統(tǒng)脈沖響應的全部有效數(shù)據(jù)點，測量結(jié)果更加精確。且可通過變換結(jié)果中Z-t曲線與理想直線的擬合程度來判斷被測系統(tǒng)是否為一階系統(tǒng)。

令Z=ln[y(t)]，式(1)便可轉(zhuǎn)化為Z-t曲線，圖4為傳感器Z-t變換擬合曲線。可得擬合曲線方程式為

(3)

則一階系統(tǒng)脈沖響應時間常數(shù)為

(4)

圖4 Z-t變換擬合曲線

通過上述方法便可精確計算熱流傳感器脈沖激勵下傳感器的時間常數(shù)。

2 動態(tài)測試實驗及結(jié)果分析

2.1 動態(tài)標定系統(tǒng)的設計

動態(tài)標定系統(tǒng)由光纖輸出半導體激光器、微透鏡光斑均勻化光學系統(tǒng)、Gardon計、THORLABS DET10A/M硅光電探測器、KLEIBER KMGA 740高速輻射溫度計、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機構(gòu)成。其中，光纖輸出半導體激光器通過QBH激光輸出頭準直為平行光，由微透鏡均勻化陣列處理為能量均勻的光斑，并作用于熱流傳感敏感區(qū)域。另外，此次所用光纖輸出半導體激光器上升時間約為3.473 μs，計算得A類不確定度為0.30%，GD-B4-200K型Gardon計理論時間常數(shù)為上百ms，遠大于激光器上升時間，所以此次激光器可以視為理想脈沖熱流激勵信號[14]。光電探測器上升時間為1 ns，用于接收熱流傳感器表面散射的脈沖激光信號。高速輻射溫度計可測溫度范圍為25～300 ℃，響應時間為10 μs，用于監(jiān)測熱流傳感器表面溫度，防止傳感器敏感面的溫度過高導致?lián)p壞。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別與光電探測器、高速輻射溫度計和熱流傳感器連接，可實現(xiàn)3種信號的同步采集。脈沖信號激勵熱流傳感器動態(tài)標定系統(tǒng)的原理框圖和實物圖如圖5、圖6所示。

圖5 脈沖信號激勵熱流傳感器動態(tài)標定系統(tǒng)原理圖

圖6 動態(tài)標定系統(tǒng)實物圖

2.2 脈沖激勵下的響應測試

為了更深層次地對圓箔熱流計理想脈沖激勵寬度進行探索，設計了熱流計時間常數(shù)與激勵熱流信號脈沖寬度關系的實驗。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出，調(diào)節(jié)激光器晶體管驅(qū)動電路輸出不同寬度的脈沖電壓，從而控制激光器產(chǎn)生不同脈沖寬度的脈沖熱流激勵信號。

激光脈沖寬度小于傳感器時間常數(shù)一個數(shù)量級時，可以近似為理想的單位脈沖激勵源，從而激勵出熱流傳感器真實的動態(tài)響應[15]，所以在激光器輸出功率相同的情況下，針對GD-B4-200K型Gardon計進行脈沖激勵寬度分別為5 ms、10 ms、15 ms、20 ms和30 ms的動態(tài)響應測試，用來對比說明在接近理想的條件下，脈沖寬度在一定范圍內(nèi)的變化對傳感器時間常數(shù)的影響程度。其中，5 ms脈沖激勵下熱流傳感器脈沖響應測試曲線如圖7所示，其中圖7(a)為5 ms激光脈沖激勵信號;圖7(b)為傳感器脈沖響應曲線;圖7(c)為脈沖響應Z-t變換曲線。Z-t變換擬合方程為

y=-2.05x

(4)

通過Z-t變換擬合曲線得到相關系數(shù)R2為0.999，擬合方程斜率k為-2.05，計算得到時間常數(shù)為0.486 s。

圖7 脈沖激勵為5 ms的熱流傳感器脈沖響應測試曲線

其余不同熱流脈沖激勵寬度下的熱流傳感器脈沖響應測試與脈沖激勵寬度為5 ms下熱流傳感器脈沖響應測試方式一致。由式(3)計算得到了不同脈沖寬度熱流激勵下GD-B4-200K型Gardon計的時間常數(shù)，具體數(shù)值如表1所示。

表1 不同激勵脈沖寬度下GD-B4-200K型Gardon計時間常數(shù)測量值

通過上述結(jié)果分析可知，激光激勵信號脈沖寬度的變化對傳感器時間常數(shù)沒有明顯的影響。當傳感器時間常數(shù)比熱流激勵脈沖寬度大一個數(shù)量級時，熱流脈沖激勵可以作為理想沖激函數(shù)(δ函數(shù))形式的信號激勵。因此，在接近理想的條件下，脈沖寬度在一定范圍變化時，對傳感器時間常數(shù)的影響可以忽略不計。在實際熱流脈沖激勵實驗過程中，需要保證熱流激勵信號脈沖寬度小于傳感器時間常數(shù)一個數(shù)量級，因此要嚴格精確地控制熱流脈沖激勵寬度。

3 結(jié)束語

隨著高超聲速飛行器的發(fā)展，熱阻式等薄膜熱流傳感器應運而生。傳統(tǒng)基于熱風洞、激波管和黑體爐的方法無法滿足測試需求。結(jié)合前人經(jīng)驗，在分析激光器作為熱流源優(yōu)勢的基礎上，設計了基于高功率光纖輸出半導體激光器的輻射熱流傳感器動態(tài)測試系統(tǒng)。調(diào)制激光器產(chǎn)生脈沖熱流激勵信號，完成了GD-B4-200K型號熱流傳感器的動態(tài)測試。通過Z-t變換計算了其在不同脈沖寬度條件下的時間常數(shù)，獲得了理想熱流激勵脈沖寬度。此外，通過對Gardon計的測試，驗證了系統(tǒng)的可行性。且系統(tǒng)可產(chǎn)生與航天器再入、高空飛行近似的高溫、高熱流環(huán)境，可精確測試相關熱流傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，從而有效解決高速輻射熱流傳感器的動態(tài)測試校準問題。