熱流響應時間測試方法研究

張俊祺 鄺浩欣 趙化業 裴雅鵬 劉 鑫 王文革 羅兆明

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

1 引 言

熱流傳感器廣泛應用于運載火箭和武器裝備中的研制、試驗和生產過程中。在火箭發動機的地面試驗和飛行試驗中，通過熱流傳感器測量尾焰熱流，可得到火箭燃料的燃燒熱量，為發動機的控制和調整提供可靠的數據。在新材料的研制過程中，通過熱流傳感器測量材料的熱性能；在彈頭和材料的燒蝕試驗中都需要熱流傳感器測量熱流；在火工品的研制過程中，也需要熱流傳感器測量火藥的爆炸熱流量，從而為火工品的研制提供準確數據[1～3]。

熱流傳感器通常包含三個參數：熱流傳感器的靈敏度、示值誤差和響應時間。

我國從上世紀八十年代開始研制熱流傳感器的校準裝置，經過幾十年的工作，目前已經研制了一系列的熱流傳感器的校準裝置，實現了熱流傳感器靈敏度和準確度的校準[4～6]。而熱流傳感器響應時間一直無法測量校準，只能使用生產廠家提供的計算數據，但由于熱流傳感器在制造過程中工藝一致性較差，通過熱流傳感器的通用計算方法，很難得到與實際相符的準確數據，使得實際工作中測量數據的動態準確度較差。

2 熱流傳感器響應時間測量原理

熱流傳感器響應時間τ是熱流影響熱流傳感器測量速度的主要因素，也是衡量熱流傳感器動態測試性能的重要指標，確定熱流傳感器的響應時間對于保證動態測量的準確性具有非常重要的意義[7，8]。

熱流傳感器的響應時間是由熱流傳感器的材料、結構形式等因素決定。由于熱流傳感器熱慣性的存在，一般將其視為一階系統進行研究，則熱流傳感器對階躍熱流輸入的響應為

(1)

式中：q—熱流傳感器的顯示熱流值，W/cm2；q0—熱流傳感器的初始顯示熱流值，W/cm2；qe—階躍熱流輸入后熱流傳感器穩態顯示熱流值，W/cm2；t—對階躍熱流的響應時間，s；τ—熱流傳感器的響應時間，s。

由公式(1)可以看出熱流傳感器的響應時間是屬于典型的按指數變化量。當t=τ時，則有

q-q0=(qe-q0)(1-e-1)=0.632(qe-q0)

(2)

即響應時間是熱流傳感器的顯示熱流值q與初始顯示熱流值q0之差達到熱流階躍的63.2%所需的時間，如圖1所示。

圖1 熱流傳感器動態響應曲線Fig.1 Dynamic response curve of heat flux sensor

3 熱流傳感器響應時間測試裝置

根據響應時間的定義，確定了采用高功率激光器作為標準熱流源，以標準輻射功率計作為輻射溫度標準，以高速水冷快門作為熱流階躍發生裝置，采用高速采集器進行高速采集，對熱流傳感器響應時間進行測試的方案[9,10]。

熱流傳感器響應時間測試裝置組成如圖2所示，該系統由激光熱流輻射源、標準熱流傳感器、水冷快門、冷卻系統、電動平移臺、計算機控制與采集系統等組成。

圖2 測試裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

激光熱流源采用一套大功率、可連續工作的半導體激光器系統，主要由高功率激光器、電源系統、控制系統、水冷系統等組成。

激光器采用高功率的半導體激光器，最大輸出功率可達到研制400W/cm2，激光器出口面積為(20×20)mm。為了保證達到較高的輸出熱流密度，采取多Bar條疊陣的方式擴展功率輸出。

圖3 激光器光源方式Fig.3 Types for light source of laser

標準熱流傳感器采用電校準法空腔式輻射功率計和GARDON式標準熱流傳感器。

高速水冷快門驅動平臺采用進口高速電動驅動平臺，最大速度達到4m/s。光柵尺分辨率：1μm，最大行程：極限行程260mm。快門控制器采用光柵尺編碼器進行直接驅動。快門打開發出信號標記時間，作為階躍熱流的起始時間。水冷支架表面進行發黑處理，減小表面對激光或其他輻射的反射影響。支架內部設計蛇形水冷流道。快門打開時間經測試約為1ms，測量結果如圖4所示。

圖4 快門打開速度測量結果Fig.4 Measuring result of the shutter opening time

冷卻系統為激光熱流輻射源、水冷快門、標準熱流傳感器、被測熱流傳感器提供制冷降溫。冷卻系統由循環泵、儲液箱、冷卻器組、管路、閥門等組成。冷卻系統制冷功率為5kW。該系統的制冷液為防凍冷卻液，工作溫度范圍為(-30～105)℃。

計算機控制與采集系統由高速數據采集器、控制系統和計算機控制軟件組成，儀器通訊采用串口通訊。主要功能實現校準過程中，標準熱流計與被校熱流計輸出信號的采集、激光熱流輻射源功率的控制調節以及水冷快門、電動平移臺的控制。測試過程后，實現測試過程的自動化數據采集、計算以及測試結果的輸出。

使用熱流傳感器響應時間測試裝置為多家單位生產、使用的熱流傳感器進行了測試工作，驗證裝置的可靠性，如圖5所示。經驗證，本方法能夠對響應時間20ms的熱流傳感器進行測試，結果合理有效。

圖5 響應時間測試結果曲線Fig.5 Experimental data curve of response time

4 結束語

針對國內無法進行熱流傳感器響應時間測試的問題，設計了一套基于激光熱流源的熱流傳感器響應時間測試裝置，并對多個型號的熱流傳感器進行測試試驗。實驗證明，熱流傳感器響應時間測試裝置能夠滿足測試需求，解決了熱流傳感器動態參數的測試難題，為熱流傳感器的研制、生產、選型提供了準確可靠的數據。