基于激光激励热电偶动态响应特性测试

摘要:热电偶是最常用的接触式测温方法，具有高精度、大量程和高可靠性的优点。热电偶的动态响应特性是衡量其高速测温性能的关键指标，需要采用实验方法进行测试。基于光热效应的激光加热方式具有快速和方便调控的优点,是目前进行动态响应特性测试实验的常用方法。根据激光激励信号的调制方式，可进行阶跃、脉冲和周期三种形式的热源信号加载，本文对不同形式的激光在热电偶动态响应特性测试实验中的研究现状进行总结，分析其优缺点，并对高速热电偶的动态响应特性测试技术进行展望。
1引言
　　对瞬态温度的高速准确测量在诸多科技领域具有至关重要的作用,例如弹药爆炸，枪膛内壁，航空发动机燃烧室等场合-的温度测量。常见的高速测温方法分非接触式与接触式两类，非接触式测温方法主要以红外测温技术为代表，通过采集物体辐射的红外能量实现温度传感，测温范围可达数千摄氏度且速度能达到亳秒级，但该方法只能.测量物体表面温度，在有环境干扰时难以实现准确测量，应用上存在较大局限性。接触.式测温方法种类较多，常用的有光纤传感,热电阻，热电偶等，光纤类的温度传感器具有较快的响应速度，适用于某些对电磁干扰有要求的测温场合,但光纤类温度传感器存在多参数敏感问题，复杂环境下测温误差较大。热电阻的测温精度非常高，很多恒温设备中都以其测试结果作为标准温度，但通常体积尺寸较大,测温速度相对较慢。热电偶测温技术在动态测温领域的应用最广泛，测温精度可达0.1℃，测温速度可达微秒级，广泛应用于航空航天、燃烧爆炸和武器装备等复杂场合的温度测量。
　　为了解热电偶的动态响应特性，在温度传感器动态响应校准规范中对包括热电偶在内的接触式温度传感器动态响应特性测试的实验条件及方法做了规定、。常用温度传感器对阶跃温度的响应来描述其动态响应特性，动态响应特性的主要参数有热响应时间和时间常数，二者都是环境温度发生阶跃变化后，传感器的输出温度变化到相当于该环境温度阶跃量的某个规定百分数值所需要的时间。通常按照热源类型对热电偶动态响应特性测试方法进行分类，常用的方法有水浴法3、火焰法、热风洞法5、激光法、激波管法[7等。激光具有施加速度快和参数可调控的优点[8),是非常理想的加热方式。目前裸丝热电偶的动态响应测试研究中大多采用激光加热，相较于其他热源能够有效减少施加热激励过程中的误差。
2基于激光激励的热电偶动态响应特性测试方法
　　根据激光激励信号的调制方式，可进行阶跃、脉冲和周期三种形式的热源信号加载，基于不同形式激光激励的热电偶动态响应特性测试方法有各自的优势与局限性。
 
　　热电偶是由两种不同材料的金属导体连接形成的感温器件,其基本结构和在激光加热时与外界热交换情况如图1所示。热电偶由感温结点和偶丝两部分构成，输出热电势取决于感温结点的温度。激光加热时感温结点温度持续.上升，热电偶与测试环境的空气之间在对流换热，感温结点内部热量向偶丝和支架方向传导，激光加热过程同时存在辐射、对流和传导三种传热方式。
2.1阶跃调制激光激励
　　阶跃测试法是使用连续激光器给予传感器完整的阶跃激光加热并测量其响应的方法，分为正阶跃测试法和负阶跃测试法[19,分别测试升温和降温过程的输出信号并计算时间常数。
　　正阶跃测试法加热过程中主要传热方式为辐射，推导时间常数的集总参数模型热交换边界条件为对流。正阶跃测试法施加给传感器的并不是纯粹的温度阶跃，直接使用时间常数作为指标存在理论上的缺陷，而且测试环境与传感器的实际工况也存在明显差异。
　　负阶跃测试法降温过程中传热方式为对流，与集总参数模型、热电偶的实际使用场合均相符。相较于正阶跃测试法，负阶跃测试法给予热电偶完整的阶跃温度作为激励，测试结果能有效表征热电偶在实际工况中的测温速度。
 
　　阶跃激光加热的温度幅值很难精确控制，只有使用反馈控制装置才能实现精确控制温度幅值,此时温度幅值达到稳态的时间也会被反馈结构延长。但温度幅值对时间常数测试结果影响基本可以忽略，通常直接采用持续激光器对热电偶进行加热。
　　正阶跃测试法测得0.05mm微细K型热电偶的时间常数为80.3ms,同一热电偶采用负阶跃测试法的时间常数为75. Imsl21。正阶跃测试法的时间常数比负阶跃测试法更大,由于负阶跃测试法施加的是完整的阶跃温度，时间常数更接近真值。
 
　　2020年,中北大学闫庆峰采用半导体持续激光器作为热源，通过模糊PID控制器反馈控制激光器出光功率，可精确控制阶跃激光加热的温度幅值，测得0.5mm裸露式K型热电偶的时间常数为0.31s。 同一热电偶采用幅值为812.8℃和666.7℃的负阶跃温度激励测得的时间常数分别为0.3576s 和0.31695。采用正阶跃测试法和负阶跃测试法测得同一支热电偶时间常数非常接近，负.阶跃测试法不同幅值下的时间常数测试结果也比较接近。
 
2.2脉冲调制激光激励
　　大功率激光器能够产生高能脉冲激光作为激励热源，脉冲激光能从时域和频域测试热电偶的动态响应特性。时域测试与正阶跃测试法类似，测量脉冲激光加热时热电偶的输出信号。测试装置和实验步骤都非常简单，但存在与正阶跃测试法相同的缺点，温度.上升过程热电偶与环境的主要传热方式是辐射，而且脉冲激光对热电偶激励后无法让热电偶的输出信号维持稳定，不能由热电偶响应曲线精确计算时间常数,相比正阶跃测试法的问题更大。
 
　　基于脉冲激光激励的频域测试方法借鉴于压力传感器动态校准方法,压力传感器的动态校准需要测量其幅频特性的不平直度及其在频率域的宽度评价系统优劣，使用窄脉冲压力激励传感器测试动态不确定度，作为评价其动态响应特性的标准。
 
　　热电偶的动态响应特性也能够由频率响应衡量，在频率响应中可使用幅频特性的不平直度、相频特性的非线性度或者截止频率评价不同热电偶的动态响应性能，但无法和时间常数--样直观比较不同热电偶的测温速度。热电偶时刻都在与外界热交换，受环境干扰十分明显，频率响应测试结果不如压力传感器效果好。
　　以二氧化碳激光器为激励热源,采用脉冲激光加热0.5mm裸丝K型热电偶测试动态响应特性,脉冲激光产生的温度激励不足以让热电偶达到稳态热平衡状态，难以准确计算时间常数,通.过激光器的出光时间估测热电偶的时间常数约为100ms[241。 2017年，大连交通大学崔云先采用短脉冲激光作为薄膜热电偶动态响应特性实验的热源，激光垂直照射薄膜热电偶表面产生瞬时高温，脉冲激光的宽度为8ns，激光的能量值为0.3mJ,根据传感器输出信号上升过程计算得NiSi薄膜热电偶的时间常数为36.5μsl25),也存在未达到稳态热平衡的问题。
 
2018年，中北大学李岩峰将压力传感器动态校准的方法应用到热电偶中，搭建测试系统以窄脉冲激光激励热电偶测试幅频特性[26),但获得的幅频特性曲线并不理想，后.续还需要借助建模手段使用系统辨识的方法对测试结果进行处理。
 
2.3周期调制激光激励
　　无论哪种热源加热过程都会存在一定的.上升时间，对测试结果造成误差不可避免。集总参数模型将传热过程简化为一阶系统并推导出时间常数，在一阶系统中的频率响应中，时间常数也是关键参数之一。 采用不同频率的周期温度激励可以获得比较完整的频率特性,从频域间接求取时间常数理论上能够避免时域测试中温度变化存在上升时间的问题，也不用考虑传热方式的影响，但产生周期变化的温度十分困难。
 
　　2013年，普林斯顿大学Gilad Arwatz以氩激光器作为热源，使用光学斩波器让冷线探头周期性地受激光光源辐照，获得了冷线探头响应信号完整的幅频特性,其结果表明冷线的频率响应比预想要有限得多，这可能导致温度数据存在比较大的误差。基于该问题提出了考虑端部热传导效应和导线响应影响的集总参数模型,通过实验数据对该模型进行了验证，研究了不同加热条件下的金属丝频率响应。
 
　　模型中的所有参数都与传感器的几何形状和所用材料的属性有关，新模型可以.用作传感器设计和优化工具，也可以用于校正冷线探头测得的温度数据。由于考虑了末端的传导效应，可以获得更加精确的温度测试结果。冷线对周期温度信号的响应是通过大量测试数据集合平均提取实现，信号并不理想，尤其是低频段很容易受到环境条件变化的影响。
 
3总结与展望
　　根据前文分析,阶跃激光激励是目前研究最多的激光加热方式，对应的数据分析方法与热电偶时间常数定义完全吻合，可适应大多数应用场合。但对于极高速响应的热电偶，采取正阶跃激励时因光热效应引起温升并达到热平衡的过程需要时间，可能对测量结果造成一定影响。 采用负阶跃测试法能够部分解决热交换方式不一致和难以维持热平衡的问题，但热电偶在达到初始瞬态高温的过程中其内部能量一直不断积累，包括非感温结点部分也会达到高温状态，导致测试的降温曲线偏慢，动态响应特性测试结果难以反映热电偶的极限测温速度。采用脉冲激光激励时，信号中同时存在上升段和下降段,具有更丰富的特征信息，但由于难以实现热平衡，在数据处理方面无论是时域还是频域分析均缺乏成熟的理论支撑。采用周期调制激光激励时，虽然激光参数调控方便,产生理想的周期温度并不容易，难以开展实际应用。
　　目前,微细热电偶、薄膜热电偶、和集成电路工艺热电偶等高速热电偶的尺寸已达到微米甚至纳米量级,对应时间常数可达到微秒级，但现有的动态温度测量和校准方法仅能满足毫秒级的应用需求，如何准确量化高速热电偶的测温速度缺乏统--测试标准。尽管激光激励方式具有调控方便，加热速度快的显著优点,但现有的三种调制.方式在实际测试中均存在理论或实验实现方面的不同问题。针对微秒级的高速热电偶动态响应特性准确测试问题，还需要探索新的动态响应特性测试理论和方法，以适应高速测温技术的发展。