基于扫频光热调制技术的高温高速微型热电偶动态响应特性分析及测量方法研究

At present, the methods for measuring and evaluating the dynamic characteristics of micro-thermocouple with high temperature and high speed response have many problems, such as large error and poor repeatability. It is difficult to meet the requirements of real-time accurate temperature measurement in extreme applications such as aero-engine and combustion explosion field, which requires extremely high speed and temperature range. In this project, the idea of frequency-sweeping photothermal modulation measurement is introduced into the field of dynamic response calibration measurement of thermocouple. Theoretical model between the output signal of thermocouple under modulated laser irradiation and modulation frequency and response time will be established. AC/DC double beam excitation and beam shaping technique will be induced to improve the experimental system and method. This projects will study the problem of eliminating system response, accurate measurement in large temperature regions, uniform heating of measuring points of thermocouple, measurement and equivalent calculation of dynamic response characteristics under different heat transfer modes. The key scientific and technical problems of dynamic response calibration and measurement of core sensor devices in transient high speed temperature measurement will be solved. This project can provide experimental basis for the scientific research and analysis of dynamic characteristics of noble-metal micro-thermocouple in large temperature range, and provide technical support for the experimental monitoring and scientific research of transient high temperature and high speed dynamic temperature measurement.

目前针对高温高速微型热电偶动态响应特性测量评估的方法存在误差大、重复性差等诸多问题，难以满足航空发动机、燃烧爆炸场等对测量速度和测温范围要求极高的极端应用场合下实时精准测温的需求。针对此问题，本项目提出将扫频光热调制测量思想引入到热电偶动态响应标定测量领域，通过建立调频激光光照下热电偶输出信号与调制频率及响应时间之间的理论模型，结合交直流双光束激励及光束整型等实验系统和方法的改进，开展消除系统响应、大变温范围下不同温区精准测量、热电偶测点均匀光照加热、不同热传递方式动态响应特性测量及等效运算等问题的分析研究，解决现有瞬态高速测温中核心传感器件动态响应标定测量所面临的各项关键科学和技术问题，为大变温范围贵金属微型热电偶动态特性的科学研究分析提供实验依据，为瞬态高温高速动态测温的试验监测和科学研究提供技术支持。

航空航天、国防军工等领域的蓬勃发展对温度测量速度提出了越来越高的要求，目前对温度传感器响应特性相关标准及测量方法明显滞后于温度传感技术的发展。为此本项目开展了温度传感器动态性能评估方法研究。包括高速温度传感器动态响应特性及影响因素理论分析，微米级微细偶丝研制及小惯性热电偶制作方法，基于水浴和激光激励方法的热电偶动态响应特性试验系统及测试分析，新型高速动态温度传感技术等研究。项目研究结果及意义如下：.通过建立热电偶动态导热物理模型，获得材料物性参数、热场环境参数、传感器几何形态参数等对传感器动态响应能力的影响关系。对于细长小尺寸温度传感器，其动态响应能力不仅受到传感器物性参数、传感器边界对流传热系数的影响，更受到温度传感器长度的影响，传感器越长，其导热能力越差，从传热界面输入的热量越难以在传感器内部进行输运，进而导致界面处热量堆积，温度传感器的动态响应性能下降。此结果可为综合揭示影响热电偶动态响应性能的因素提供参考；.通过建立基于水浴法的动态响应特性实验测试系统并分析，对K，J，T等不同规格型号的热电偶进行了实验测量，得到了不同热电偶类型、不同偶丝直径及偶结点大小等样品在不同入水速度、不同阶跃温度、不同液体环境条件下的热电偶时间常数以及其影响作用。此部分研究可为水浴法时间常数测量的标准建立及理论分析提供参考；.通过理论和实验对比分析，获得激光调制方式和加载方式对热电偶动态响应实验的影响，并提出基于脉冲激光负阶跃的激励方式，是最合适进行热电偶动态响应特性评估的方式。该结论对于热电偶动态性能评估相关标准的建立具有一定指导意义；.通过对比热电偶与点式光纤测温在高速动态气流总温测试中的优劣，并开展理论和实验研究，指出基于单端感温的点式光纤测温技术相比热电偶技术在高速流场的动态测温中具有更大优势，有望成为高速测温应用的新型方法并开展应用。