CN107870049B - 一种高温热流传感器校准系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开的一种高温热流传感器校准系统，涉及高温热流传感器校准技术，能够解决高温热流传感器动态响应特性的校准问题。包括：二氧化碳激光器，提供激光辐照热流激励；激光功率整型匀化衰减模块，用于激光器输出激光光斑整型匀化并进行功率衰减；激光分光光路，将激光光束分为两束，一路用于被校准热流传感器热流激励，另一路由红外光子型探测器接收；真空仓，提供真空校准环境；吸收补偿装置，补偿传感器表面激光辐射吸收；传感器校准夹具，固定被校准传感器；红外光子型探测器，用于实时检测记录激光辐照功率，该系统主要用于高温热流传感器校准。

Description

一种高温热流传感器校准系统
技术领域
本发明涉及高温热流传感器校准技术领域，尤其涉及一种高温热流传感器校准系统。
背景技术
热流传感器一般由受热面、热电偶或热电堆、热沉体三部分组成。其工作原理是，受热面接收热流后产生温升，受热面与热沉体之间的温差与热流密度具有对应关系，热电偶或热电堆测量该温差，由热电偶或热电堆的输出电压值可得到相应的热流密度。
在高温工业生产场合及大部分军用场合，热流温度高、变化快，可能存在高压或高速流动等情况。热流传感器由于热惯性和非平衡状态从而导致系统误差，要保证测量准确度是非常困难的。因而需要用动态校准的方法探明各种不同使用条件下的响应特性，通过修正使其更接近真实值。对热流传感器动态校准的研究主要是将其视为一阶或高阶系统，通过动态校准实验测取其动态响应特性。
目前，热流传感器的校准工作一般采用黑体辐射法、平板辐射法。将黑体或平板加热到一定温度，从而产生稳定热流。在相同热流激励下，分别测量标准热流传感器与被校准热流传感器输出结果，实现热流传感器校准。由热流产生机理可知，黑体辐射法与平板辐射法均无法产生高频动态变化的热流激励，且热流上限低，无法进行高温热流传感器动态响应特性的校准。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种高温热流传感器校准系统，能够解决高温热流传感器动态响应特性的校准问题。
本发明的技术解决方案：
一种高温热流传感器校准系统，该系统包括：激光器、激光功率整型匀化衰减模块、激光分光光路、真空仓、吸收补偿装置、传感器校准夹具、红外光子型探测器和数据采集与处理系统，所述吸收补偿装置、所述传感器校准夹具和被校准热流传感器置于所述真空仓内，所述真空仓内满足真空校准环境，所述传感器校准夹具用于固定所述被校准热流传感器；
其中，所述激光器，是一种二氧化碳激光器，用于产生激光辐照热流激励，并向所述激光功率整型匀化衰减模块发射产生的激光辐照热流激励；
所述激光功率整型匀化衰减模块，用于接收所述激光器发射的激光辐照热流激励，对所述激光器输出的激光光束实施整型匀化，并进行功率衰减，将处理过的激光光束向所述激光分光光路发射；
所述激光分光光路，用于接收所述激光功率整型匀化衰减模块发射的激光辐照热流激励，将接收的激光光束分为第一激光光束和第二激光光束，所述第一激光光束作为被校准热流传感器的热流激励，向所述真空仓内的所述吸收补偿装置发射，所述第二激光光束向所述红外光子型探测器发射；
所述吸收补偿装置，用于接收所述激光分光光路发射的第一激光光束，补偿被校准热流传感器表面激光辐射吸收；
所述红外光子型探测器，作为基准设备，用于接收所述激光分光光路分出的所述第二激光光束，实时检测并记录该第二激光光束的辐照功率；
所述数据采集与处理系统，用于同时采集被校准热流传感器与红外光子型探测器输出电压信号，按照动态系统模型校准高温热流传感器。
进一步可选的，所述二氧化碳激光器的最大输出功率根据被校准热流传感器参数及激光光路透过率选取，所述被校准热流传感器参数包括热流测量范围和热流接收面面积。
进一步可选的，所述激光功率整型匀化衰减模块对所述激光器输出的激光光束实施整型匀化包括：首先改变激光光束偏振态，将其线偏振特性转为圆偏振特性，其后经过积分反射镜将光束转变为强度均匀分布的矩形光束。
进一步可选的，所述激光功率整型匀化衰减模块对所述激光器输出的激光光束进行功率衰减倍数根据被校准热流传感器响应特性确定。
进一步可选的，所述激光分光光路基于透反镜设计，所述第一激光光束占被分激光辐照热流激励的10％功率。
进一步可选的，所述真空仓容积不小于50升，工作时真空度优于10-4帕。
进一步可选的，所述吸收补偿装置为半椭球形反射镜，呈45°放置，激光光束在被校准热流传感器表面与吸收补偿装置内壁反射镜之间多次反射后，98％以上激光功率被被校准热流传感器表面吸收。
进一步可选的，所述传感器校准夹具主体采用合金铝加工，与被校准热流传感器接触部分为低导热率氧化锆圆柱，接触方式为线接触。
进一步可选的，所述红外光子型探测器为高精度快速响应点源探测器，作为基准设备，通过其输出信号，获取照射到被校准热流传感器表面的热流时间曲线。
本发明实施例提供的一种高温热流传感器校准系统，采用二氧化碳激光器作为激励源，可产生连续或脉冲的高功率激光束，功率可调，可输出不同强度的高频动态热流激励；同时采用高精度快速响应的红外光子型探测器作为参考设备，实现了高温热流传感器动态响应特性校准。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高温热流传感器校准系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例提供一种高温热流传感器校准系统，如图1所示，该系统包括：激光器1、激光功率整型匀化衰减模块2、激光分光光路3、真空仓4、吸收补偿装置5、传感器校准夹具6、红外光子型探测器7和数据采集与处理系统8，吸收补偿装置5、传感器校准夹具和被校准热流传感器9置于真空仓4内，真空仓4内满足真空校准环境，传感器校准夹具6用于固定被校准热流传感器9；
其中，激光器1，是一种二氧化碳激光器，用于产生激光辐照热流激励，并向激光功率整型匀化衰减模块2发射产生的激光辐照热流激励；
激光功率整型匀化衰减模块2，用于接收激光器1发射的激光辐照热流激励，对激光器1输出的激光光束实施整型匀化，并进行功率衰减，将处理过的激光光束向激光分光光路3发射；
激光分光光路3，用于接收激光功率整型匀化衰减模块2发射的激光辐照热流激励，将接收的激光光束分为第一激光光束和第二激光光束，第一激光光束作为被校准热流传感器9的热流激励，向真空仓4内的吸收补偿装置5发射，第二激光光束向红外光子型探测器7发射；
吸收补偿装置5，用于接收激光分光光路3发射的第一激光光束，补偿被校准热流传感器表面激光辐射吸收；
红外光子型探测器7，作为基准设备，用于接收激光分光光路3分出的第二激光光束，实时检测并记录该第二激光光束的辐照功率；
数据采集与处理系统8，用于同时采集被校准热流传感器9与红外光子型探测器7输出电压信号，按照动态系统模型校准高温热流传感器。
其中，二氧化碳激光器的最大输出功率根据被校准热流传感器参数及激光光路透过率选取，如可选1000W，被校准热流传感器参数包括热流测量范围、热流接收面面积。
进一步可选的，激光功率整型匀化衰减模块通过以下过程对激光器输出的激光光束实施整型匀化：首先改变激光光束偏振态，将其线偏振特性转为圆偏振特性，其后经过积分反射镜将光束转变为强度均匀分布的矩形光束。
进一步可选的，激光功率整型匀化衰减模块对激光器输出的激光光束进行功率衰减倍数根据被校准热流传感器响应特性确定。
进一步可选的，激光分光光路基于透反镜设计，第一激光光束占被分激光辐照热流激励的10％功率。
进一步可选的，真空仓容积不小于50升，工作时真空度优于10-4帕。
进一步可选的，吸收补偿装置为半椭球形反射镜，呈45°放置，激光光束在被校准热流传感器表面与吸收补偿装置内壁反射镜之间多次反射后，98％以上激光功率被被校准热流传感器表面吸收。
进一步可选的，传感器校准夹具主体采用合金铝加工，与被校准热流传感器接触部分为低导热率氧化锆圆柱，接触方式为线接触。
进一步可选的，红外光子型探测器为高精度快速响应点源探测器，作为基准设备，通过其输出信号，获取照射到被校准热流传感器表面的热流时间曲线。
大功率二氧化碳激光器发出的高斯激光光束经整型匀化衰减后，变为衰减一定比例的强度均匀的矩形光斑。经激光分光光路后，一路进入真空仓为被校准热流传感器热流激励，另一路作为基准由红外光子型探测器接收。进入真空仓的激光光束经吸收补偿装置后，几乎所有能量均被被校准热流传感器吸收。被校准热流传感器安装于传感器校准夹具中，使其全部处于激光光路中。数据采集与处理系统，用于采集处理被校准热流传感器及红外光子型探测器数据，并依据校准方法给出校准结果。
利用上述高温热流传感器校准系统进行校准工作步骤如下：
步骤1.将标准热流传感器放置于传感器校准夹具6上，调节激光器1输出功率，使激光器1输出一系列功率稳定的激光光束，并向激光功率整型匀化衰减模块2发射产生的激光辐照热流激励。激光功率整型匀化衰减模块2接收激光器1发射的激光辐照热流激励，对激光器1输出的激光光束实施整型匀化，并进行功率衰减，将处理过的激光光束向激光分光光路3发射；激光分光光路3接收激光功率整型匀化衰减模块2发射的激光辐照热流激励，将接收的激光光束分为第一激光光束和第二激光光束，第一激光光束作为标准热流传感器的热流激励，向真空仓4内的吸收补偿装置5发射，第二激光光束向红外光子型探测器7发射；吸收补偿装置5接收激光分光光路3发射的第一激光光束，补偿标准热流传感器表面激光辐射吸收；红外光子型探测器7作为基准设备接收激光分光光路3分出的第二激光光束，实时检测并记录该第二激光光束的辐照功率；数据采集与处理系统8同时采集标准热流传感器与红外光子型探测器7输出电压信号。
数据采集与处理系统8记录标准热流传感器测量的热流QS1，QS2，…，QSN；红外光子型探测器输出电压值VS1，VS2，…，VSN。拟合QS1与VS1函数关系，得：
QS＝f(VS)
步骤2.将被校准热流传感器9放置于传感器校准夹具6上，调节激光器1输出功率，使激光器1输出动态变化的激光光束。并向激光功率整型匀化衰减模块2发射产生的激光辐照热流激励。激光功率整型匀化衰减模块2接收激光器1发射的激光辐照热流激励，对激光器1输出的激光光束实施整型匀化，并进行功率衰减，将处理过的激光光束向激光分光光路3发射；激光分光光路3接收激光功率整型匀化衰减模块2发射的激光辐照热流激励，将接收的激光光束分为第一激光光束和第二激光光束，第一激光光束作为被校准热流传感器9的热流激励，向真空仓4内的吸收补偿装置5发射，第二激光光束向红外光子型探测器7发射；吸收补偿装置5接收激光分光光路3发射的第一激光光束，补偿被校准热流传感器表面激光辐射吸收；红外光子型探测器7作为基准设备接收激光分光光路3分出的第二激光光束，实时检测并记录该第二激光光束的辐照功率；数据采集与处理系统8同时采集被校准热流传感器9与红外光子型探测器7输出电压信号。
数据采集与处理系统8记录激光光束照射过程中被校准热流传感器测量的热流QA(t)与红外光子型探测器输出电压值VA(t)。通过步骤1所得函数关系计算照射到被校准热流传感器表面的热流,
QB(t)＝f(VA(t))
即，在照射到被校准热流传感器表面的动态高温热流为QB(t)时，被校准热流传感器的测量值为QA(t)。
步骤3.数据采集与处理系统8利用步骤1、步骤2获取的数据，按照以下动态系统模型校准高温热流传感器：
首先，将被校准热流传感器视为线性时不变系统，用常系数线性微分方程描述其动态特性。
式中，QB(t)为输入量，QA(t)为输出量，a0,…,an，b0,…,bn是系数，与传感器本身的工作原理和结构参数有关。
其次，对于热流传感器，可以用传递函数来表示它的动态特性。传递函数为初始条件为零的线性定常系统输出与输入的拉普拉斯变换之比。对上式进行拉普拉斯变换，可得：
式中，分母中s幂次代表热流传感器的阶数。传递函数与传感器的输入、输出无关，只反映其本身的固有特性。以此，可以通过传递函数来校准热流传感器的动态响应特性。
本发明提供的基于激光辐照加热的高温热流传感器动态响应特性校准系统，采用大功率二氧化碳激光器作为激励源，可产生连续或脉冲的高功率激光束，功率可调，可输出不同强度的高频动态热流激励；同时采用高精度快速响应的红外光子型探测器作为参考设备，实现了高温热流传感器动态响应特性校准。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种高温热流传感器校准系统，其特征在于，该系统包括：激光器、激光功率整型匀化衰减模块、激光分光光路、真空仓、吸收补偿装置、传感器校准夹具、红外光子型探测器和数据采集与处理系统，所述吸收补偿装置、所述传感器校准夹具和被校准热流传感器置于所述真空仓内，所述真空仓内满足真空校准环境，所述传感器校准夹具用于固定所述被校准热流传感器；
其中，所述激光器，是一种二氧化碳激光器，用于产生激光辐照热流激励，并向所述激光功率整型匀化衰减模块发射产生的激光辐照热流激励；
所述激光功率整型匀化衰减模块，用于接收所述激光器发射的激光辐照热流激励，对所述激光器输出的激光光束实施整型匀化，并进行功率衰减，将处理过的激光光束向所述激光分光光路发射；
所述激光分光光路，用于接收所述激光功率整型匀化衰减模块发射的激光辐照热流激励，将接收的激光光束分为第一激光光束和第二激光光束，所述第一激光光束作为被校准热流传感器的热流激励，向所述真空仓内的所述吸收补偿装置发射，所述第二激光光束向所述红外光子型探测器发射；
所述吸收补偿装置，用于接收所述激光分光光路发射的第一激光光束，补偿被校准热流传感器表面激光辐射吸收；
所述红外光子型探测器，作为基准设备，用于接收所述激光分光光路分出的所述第二激光光束，实时检测并记录该第二激光光束的辐照功率；
所述数据采集与处理系统，用于同时采集被校准热流传感器与红外光子型探测器输出电压信号，按照动态系统模型校准高温热流传感器。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述二氧化碳激光器的最大输出功率根据被校准热流传感器参数及激光光路透过率选取，所述被校准热流传感器参数包括热流测量范围和热流接收面面积。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述激光功率整型匀化衰减模块对所述激光器输出的激光光束实施整型匀化包括：首先改变激光光束偏振态，将其线偏振特性转为圆偏振特性，其后经过积分反射镜将光束转变为强度均匀分布的矩形光束。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述激光功率整型匀化衰减模块对所述激光器输出的激光光束进行功率衰减倍数根据被校准热流传感器响应特性确定。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述激光分光光路基于透反镜设计，所述第一激光光束占被分激光辐照热流激励的10％功率。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述吸收补偿装置为半椭球形反射镜，呈45°放置，激光光束在被校准热流传感器表面与吸收补偿装置内壁反射镜之间多次反射后，98％以上激光功率被被校准热流传感器表面吸收。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述传感器校准夹具主体采用合金铝加工，与被校准热流传感器接触部分为低导热率氧化锆圆柱，接触方式为线接触。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述红外光子型探测器为高精度快速响应点源探测器，作为基准设备，通过其输出信号，获取照射到被校准热流传感器表面的热流时间曲线。
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