基于激光激勵(lì)熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試

摘要:熱電偶是最常用的接觸式測(cè)溫方法，具有高精度、大量程和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是衡量其高速測(cè)溫性能的關(guān)鍵指標(biāo)，需要采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。基于光熱效應(yīng)的激光加熱方式具有快速和方便調(diào)控的優(yōu)點(diǎn),是目前進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的常用方法。根據(jù)激光激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制方式，可進(jìn)行階躍、脈沖和周期三種形式的熱源信號(hào)加載，本文對(duì)不同形式的激光在熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)高速熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試技術(shù)進(jìn)行展望。
1引言
　　對(duì)瞬態(tài)溫度的高速準(zhǔn)確測(cè)量在諸多科技領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用,例如彈藥爆炸，槍膛內(nèi)壁，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等場(chǎng)合-的溫度測(cè)量。常見的高速測(cè)溫方法分非接觸式與接觸式兩類，非接觸式測(cè)溫方法主要以紅外測(cè)溫技術(shù)為代表，通過采集物體輻射的紅外能量實(shí)現(xiàn)溫度傳感，測(cè)溫范圍可達(dá)數(shù)千攝氏度且速度能達(dá)到亳秒級(jí)，但該方法只能.測(cè)量物體表面溫度，在有環(huán)境干擾時(shí)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，應(yīng)用上存在較大局限性。接觸.式測(cè)溫方法種類較多，常用的有光纖傳感,熱電阻，熱電偶等，光纖類的溫度傳感器具有較快的響應(yīng)速度，適用于某些對(duì)電磁干擾有要求的測(cè)溫場(chǎng)合,但光纖類溫度傳感器存在多參數(shù)敏感問題，復(fù)雜環(huán)境下測(cè)溫誤差較大。熱電阻的測(cè)溫精度非常高，很多恒溫設(shè)備中都以其測(cè)試結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)溫度，但通常體積尺寸較大,測(cè)溫速度相對(duì)較慢。熱電偶測(cè)溫技術(shù)在動(dòng)態(tài)測(cè)溫領(lǐng)域的應(yīng)用最廣泛，測(cè)溫精度可達(dá)0.1℃，測(cè)溫速度可達(dá)微秒級(jí)，廣泛應(yīng)用于航空航天、燃燒爆炸和武器裝備等復(fù)雜場(chǎng)合的溫度測(cè)量。
　　為了解熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)包括熱電偶在內(nèi)的接觸式溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)條件及方法做了規(guī)定、。常用溫度傳感器對(duì)階躍溫度的響應(yīng)來描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的主要參數(shù)有熱響應(yīng)時(shí)間和時(shí)間常數(shù)，二者都是環(huán)境溫度發(fā)生階躍變化后，傳感器的輸出溫度變化到相當(dāng)于該環(huán)境溫度階躍量的某個(gè)規(guī)定百分?jǐn)?shù)值所需要的時(shí)間。通常按照熱源類型對(duì)熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試方法進(jìn)行分類，常用的方法有水浴法3、火焰法、熱風(fēng)洞法5、激光法、激波管法[7等。激光具有施加速度快和參數(shù)可調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)[8),是非常理想的加熱方式。目前裸絲熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試研究中大多采用激光加熱，相較于其他熱源能夠有效減少施加熱激勵(lì)過程中的誤差。
2基于激光激勵(lì)的熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試方法
　　根據(jù)激光激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制方式，可進(jìn)行階躍、脈沖和周期三種形式的熱源信號(hào)加載，基于不同形式激光激勵(lì)的熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試方法有各自的優(yōu)勢(shì)與局限性。
 
　　熱電偶是由兩種不同材料的金屬導(dǎo)體連接形成的感溫器件,其基本結(jié)構(gòu)和在激光加熱時(shí)與外界熱交換情況如圖1所示。熱電偶由感溫結(jié)點(diǎn)和偶絲兩部分構(gòu)成，輸出熱電勢(shì)取決于感溫結(jié)點(diǎn)的溫度。激光加熱時(shí)感溫結(jié)點(diǎn)溫度持續(xù).上升，熱電偶與測(cè)試環(huán)境的空氣之間在對(duì)流換熱，感溫結(jié)點(diǎn)內(nèi)部熱量向偶絲和支架方向傳導(dǎo)，激光加熱過程同時(shí)存在輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種傳熱方式。
2.1階躍調(diào)制激光激勵(lì)
　　階躍測(cè)試法是使用連續(xù)激光器給予傳感器完整的階躍激光加熱并測(cè)量其響應(yīng)的方法，分為正階躍測(cè)試法和負(fù)階躍測(cè)試法[19,分別測(cè)試升溫和降溫過程的輸出信號(hào)并計(jì)算時(shí)間常數(shù)。
　　正階躍測(cè)試法加熱過程中主要傳熱方式為輻射，推導(dǎo)時(shí)間常數(shù)的集總參數(shù)模型熱交換邊界條件為對(duì)流。正階躍測(cè)試法施加給傳感器的并不是純粹的溫度階躍，直接使用時(shí)間常數(shù)作為指標(biāo)存在理論上的缺陷，而且測(cè)試環(huán)境與傳感器的實(shí)際工況也存在明顯差異。
　　負(fù)階躍測(cè)試法降溫過程中傳熱方式為對(duì)流，與集總參數(shù)模型、熱電偶的實(shí)際使用場(chǎng)合均相符。相較于正階躍測(cè)試法，負(fù)階躍測(cè)試法給予熱電偶完整的階躍溫度作為激勵(lì)，測(cè)試結(jié)果能有效表征熱電偶在實(shí)際工況中的測(cè)溫速度。
 
　　階躍激光加熱的溫度幅值很難精確控制，只有使用反饋控制裝置才能實(shí)現(xiàn)精確控制溫度幅值,此時(shí)溫度幅值達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也會(huì)被反饋結(jié)構(gòu)延長。但溫度幅值對(duì)時(shí)間常數(shù)測(cè)試結(jié)果影響基本可以忽略，通常直接采用持續(xù)激光器對(duì)熱電偶進(jìn)行加熱。
　　正階躍測(cè)試法測(cè)得0.05mm微細(xì)K型熱電偶的時(shí)間常數(shù)為80.3ms,同一熱電偶采用負(fù)階躍測(cè)試法的時(shí)間常數(shù)為75. Imsl21。正階躍測(cè)試法的時(shí)間常數(shù)比負(fù)階躍測(cè)試法更大,由于負(fù)階躍測(cè)試法施加的是完整的階躍溫度，時(shí)間常數(shù)更接近真值。
 
　　2020年,中北大學(xué)閆慶峰采用半導(dǎo)體持續(xù)激光器作為熱源，通過模糊PID控制器反饋控制激光器出光功率，可精確控制階躍激光加熱的溫度幅值，測(cè)得0.5mm裸露式K型熱電偶的時(shí)間常數(shù)為0.31s。 同一熱電偶采用幅值為812.8℃和666.7℃的負(fù)階躍溫度激勵(lì)測(cè)得的時(shí)間常數(shù)分別為0.3576s 和0.31695。采用正階躍測(cè)試法和負(fù)階躍測(cè)試法測(cè)得同一支熱電偶時(shí)間常數(shù)非常接近，負(fù).階躍測(cè)試法不同幅值下的時(shí)間常數(shù)測(cè)試結(jié)果也比較接近。
 
2.2脈沖調(diào)制激光激勵(lì)
　　大功率激光器能夠產(chǎn)生高能脈沖激光作為激勵(lì)熱源，脈沖激光能從時(shí)域和頻域測(cè)試熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。時(shí)域測(cè)試與正階躍測(cè)試法類似，測(cè)量脈沖激光加熱時(shí)熱電偶的輸出信號(hào)。測(cè)試裝置和實(shí)驗(yàn)步驟都非常簡(jiǎn)單，但存在與正階躍測(cè)試法相同的缺點(diǎn)，溫度.上升過程熱電偶與環(huán)境的主要傳熱方式是輻射，而且脈沖激光對(duì)熱電偶激勵(lì)后無法讓熱電偶的輸出信號(hào)維持穩(wěn)定，不能由熱電偶響應(yīng)曲線精確計(jì)算時(shí)間常數(shù),相比正階躍測(cè)試法的問題更大。
 
　　基于脈沖激光激勵(lì)的頻域測(cè)試方法借鑒于壓力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法,壓力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)需要測(cè)量其幅頻特性的不平直度及其在頻率域的寬度評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣，使用窄脈沖壓力激勵(lì)傳感器測(cè)試動(dòng)態(tài)不確定度，作為評(píng)價(jià)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的標(biāo)準(zhǔn)。
 
　　熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性也能夠由頻率響應(yīng)衡量，在頻率響應(yīng)中可使用幅頻特性的不平直度、相頻特性的非線性度或者截止頻率評(píng)價(jià)不同熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，但無法和時(shí)間常數(shù)--樣直觀比較不同熱電偶的測(cè)溫速度。熱電偶時(shí)刻都在與外界熱交換，受環(huán)境干擾十分明顯，頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果不如壓力傳感器效果好。
　　以二氧化碳激光器為激勵(lì)熱源,采用脈沖激光加熱0.5mm裸絲K型熱電偶測(cè)試動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,脈沖激光產(chǎn)生的溫度激勵(lì)不足以讓熱電偶達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡狀態(tài)，難以準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)間常數(shù),通.過激光器的出光時(shí)間估測(cè)熱電偶的時(shí)間常數(shù)約為100ms[241。 2017年，大連交通大學(xué)崔云先采用短脈沖激光作為薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)的熱源，激光垂直照射薄膜熱電偶表面產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，脈沖激光的寬度為8ns，激光的能量值為0.3mJ,根據(jù)傳感器輸出信號(hào)上升過程計(jì)算得NiSi薄膜熱電偶的時(shí)間常數(shù)為36.5μsl25),也存在未達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡的問題。
 
2018年，中北大學(xué)李巖峰將壓力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的方法應(yīng)用到熱電偶中，搭建測(cè)試系統(tǒng)以窄脈沖激光激勵(lì)熱電偶測(cè)試幅頻特性[26),但獲得的幅頻特性曲線并不理想，后.續(xù)還需要借助建模手段使用系統(tǒng)辨識(shí)的方法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理。
 
2.3周期調(diào)制激光激勵(lì)
　　無論哪種熱源加熱過程都會(huì)存在一定的.上升時(shí)間，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成誤差不可避免。集總參數(shù)模型將傳熱過程簡(jiǎn)化為一階系統(tǒng)并推導(dǎo)出時(shí)間常數(shù)，在一階系統(tǒng)中的頻率響應(yīng)中，時(shí)間常數(shù)也是關(guān)鍵參數(shù)之一。 采用不同頻率的周期溫度激勵(lì)可以獲得比較完整的頻率特性,從頻域間接求取時(shí)間常數(shù)理論上能夠避免時(shí)域測(cè)試中溫度變化存在上升時(shí)間的問題，也不用考慮傳熱方式的影響，但產(chǎn)生周期變化的溫度十分困難。
 
　　2013年，普林斯頓大學(xué)Gilad Arwatz以氬激光器作為熱源，使用光學(xué)斬波器讓冷線探頭周期性地受激光光源輻照，獲得了冷線探頭響應(yīng)信號(hào)完整的幅頻特性,其結(jié)果表明冷線的頻率響應(yīng)比預(yù)想要有限得多，這可能導(dǎo)致溫度數(shù)據(jù)存在比較大的誤差。基于該問題提出了考慮端部熱傳導(dǎo)效應(yīng)和導(dǎo)線響應(yīng)影響的集總參數(shù)模型,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，研究了不同加熱條件下的金屬絲頻率響應(yīng)。
 
　　模型中的所有參數(shù)都與傳感器的幾何形狀和所用材料的屬性有關(guān)，新模型可以.用作傳感器設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具，也可以用于校正冷線探頭測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)。由于考慮了末端的傳導(dǎo)效應(yīng)，可以獲得更加精確的溫度測(cè)試結(jié)果。冷線對(duì)周期溫度信號(hào)的響應(yīng)是通過大量測(cè)試數(shù)據(jù)集合平均提取實(shí)現(xiàn)，信號(hào)并不理想，尤其是低頻段很容易受到環(huán)境條件變化的影響。
 
3總結(jié)與展望
　　根據(jù)前文分析,階躍激光激勵(lì)是目前研究最多的激光加熱方式，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法與熱電偶時(shí)間常數(shù)定義完全吻合，可適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。但對(duì)于極高速響應(yīng)的熱電偶，采取正階躍激勵(lì)時(shí)因光熱效應(yīng)引起溫升并達(dá)到熱平衡的過程需要時(shí)間，可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定影響。 采用負(fù)階躍測(cè)試法能夠部分解決熱交換方式不一致和難以維持熱平衡的問題，但熱電偶在達(dá)到初始瞬態(tài)高溫的過程中其內(nèi)部能量一直不斷積累，包括非感溫結(jié)點(diǎn)部分也會(huì)達(dá)到高溫狀態(tài)，導(dǎo)致測(cè)試的降溫曲線偏慢，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果難以反映熱電偶的極限測(cè)溫速度。采用脈沖激光激勵(lì)時(shí)，信號(hào)中同時(shí)存在上升段和下降段,具有更豐富的特征信息，但由于難以實(shí)現(xiàn)熱平衡，在數(shù)據(jù)處理方面無論是時(shí)域還是頻域分析均缺乏成熟的理論支撐。采用周期調(diào)制激光激勵(lì)時(shí)，雖然激光參數(shù)調(diào)控方便,產(chǎn)生理想的周期溫度并不容易，難以開展實(shí)際應(yīng)用。
　　目前,微細(xì)熱電偶、薄膜熱電偶、和集成電路工藝熱電偶等高速熱電偶的尺寸已達(dá)到微米甚至納米量級(jí),對(duì)應(yīng)時(shí)間常數(shù)可達(dá)到微秒級(jí)，但現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量和校準(zhǔn)方法僅能滿足毫秒級(jí)的應(yīng)用需求，如何準(zhǔn)確量化高速熱電偶的測(cè)溫速度缺乏統(tǒng)--測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。盡管激光激勵(lì)方式具有調(diào)控方便，加熱速度快的顯著優(yōu)點(diǎn),但現(xiàn)有的三種調(diào)制.方式在實(shí)際測(cè)試中均存在理論或?qū)嶒?yàn)實(shí)現(xiàn)方面的不同問題。針對(duì)微秒級(jí)的高速熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性準(zhǔn)確測(cè)試問題，還需要探索新的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試?yán)碚摵头椒ǎ赃m應(yīng)高速測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展。