CN114964562A - 一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法 - Google Patents

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CN114964562A CN202210631044.9A CN202210631044A CN114964562A CN 114964562 A CN114964562 A CN 114964562A CN 202210631044 A CN202210631044 A CN 202210631044A CN 114964562 A CN114964562 A CN 114964562A
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杨凯
陈苏宇
刘济春
朱涛
朱新新
王辉
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    • G01K15/005—Calibration
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Abstract

本发明公开了一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，包括：利用原子层热电堆热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间测热的特点，在激波风洞或校准激波管测试中将经过标定的原子层热电堆热流传感器获得的热流测试结果作为标定热流，同时利用Cook‑Felderman公式变换薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，利用最小二乘方法拟合传感器输出变换后有效时间段内的平均值和标定热流，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数。本发明解决了薄膜热电阻和同轴热电偶用于热流测试时获得的热流测试结果不确定度高的问题。

Description

一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法
技术领域
本发明属于热流传感器校准技术领域，更具体地说，本发明涉及一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法。
背景技术
当前，激波风洞等脉冲型风洞中主要是利用薄膜热电阻和同轴热电偶开展热流测试。当利用薄膜热电阻或同轴热电偶开展热流测试时，都是利用这两种传感器获得的表面温度通过反演的方式获得热流测试结果。所不同的是，薄膜热电阻利用的是诸如铂金属薄膜的电阻与温度之间的线性依赖关系实现温度测试的，而同轴热电偶是利用的是Seebeck效应获得表面温度测试结果的。较短时间内，通过温度获得热流测试结果的反演方法常用的是Cook-Felderman公式。Cook-Felderman公式是基于半无限体假设，通过严格传热方程推导得到的一个简化计算方法。在利用Cook-Felderman公式处理温度测试结果获得热流测试值的过程中需要使用到传感器基体材料的热物性参数，比如密度、热电系数(对于薄膜热电阻，热电系数是电阻-温度系数，对于同轴热电偶是Seebeck系数)、比热容和热传导系数。通常情况下是采用两步法的方式分别获得热电系数和热物性参数乘积，此过程中需要屏蔽侧向传热带来的影响。热电系数主要是通过恒温浴的方式获得传感器电压输出与温度之间的对应关系。对于同轴热电偶，热物性参数乘积多是将其快速的投入到温度和热物性参数都已知的溶液中，通过传热计算获得其有效的热物性参数乘积；对于薄膜热电阻，多是利用脉冲辐射法确定其有效热物性参数。事实上，利用脉冲加热法获得基底材料的热物性参数乘积的过程实质是将短时内的脉冲加热量在时间和空间上平均成输入热流，再利用Cook-Felderman公式反算。相应地，在不确定度分析时忽略了能量平均带来的影响，即二步法中缺少标定热流的直接测试。由此造成基于二步法标定的薄膜热电阻或同轴热电偶测热结果的不确定度估计偏低。此外，当利用激光作为热源，水冷Gardon计或原子层热电堆(AtomicLayer Thermopile,ALTP)热流传感器等作为传递基准时，不可避免的是为了获得待标定的薄膜热电阻和同轴热电偶感应面对激光一致、稳定且较高的吸收率，需要在薄膜热电阻和同轴热电偶感应面喷涂涂层且需严格控制涂层厚度，而在风洞试验使用中又需要去除这一涂层，这一过程相对麻烦而且有可能造成传感器损伤。本发明所提供的在线标定方法利用了ALTP热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间进行热流测试的特点，采用经过标定的ALTP热流传感器在激波风洞试验中的测热结果作为标定热流，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，通过拟合多个不同试验条件或车次下的试验结果获得该灵敏度系数。虽然在处理传感器输出时，也利用了Cook-Felderman公式核心部分，但是在对试验数据进行拟合的过程中已知的标定热流又起到了校正的效果。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，包括以下步骤：
利用原子层热电堆热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间测热的特点，在激波风洞或校准激波管测试中将经过标定的原子层热电堆热流传感器获得的热流测试结果作为标定热流，同时利用Cook-Felderman公式变换薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，利用最小二乘方法拟合传感器输出变换后有效时间段内的平均值和标定热流，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数。
优选的是，其中，在线标定方法的具体步骤包括：
步骤一、用低温辐射计、硅陷阱探测器、室温电替代辐射计构成的量值传递系统，在基于激光的热流标定设备上利用室温电替代辐射计完成水冷Gardon计的标定；
步骤二、在基于激光的热流标定设备上，使水冷Gardon计和ALTP热流传感器分别曝光于多个幅值不同的同一激光源，利用水冷Gardon计测得的输入热流完成ALTP热流传感器的标定；
步骤三、在风洞试验模型上对称安装ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶，保证ALTP热流传感器之间的距离尽可能的近；
步骤四、记录激波风洞有效开车车次下ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，根据ALTP热流传感器的标定结果获得这一车次下标定热流qsource；
步骤五、利用Cook-Felderman公式或热电模拟网络处理这一车次下薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，得到Vcal；
步骤六、在多个不同有效车次下重复步骤四～步骤五，获得ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶在不同车次下的一系列数据组；
步骤七、利用最小二乘方法拟合步骤六得到的这一系列数据组，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数；
步骤八、针对同一批生产的薄膜热电阻的灵敏度系数差异大的问题，利用热浴法获得各个薄膜热电阻的热电系数，用标定后得到的灵敏度系数去除各自对应的热电系数，即可得到较为一致的修正系数，即通过在线标定少量薄膜热电阻，结合热电系数的测定结果即可得到同一批生产的各个薄膜热电阻的灵敏度系数。
优选的是，其中，所述步骤一中，所述量值传递系统并不局限于基于对比标定的、由低温辐射计、硅陷阱探测器和室温电替代辐射计等构成的量值传递系统；同时，基于黑体理论的高温黑体同样可作为量值传递系统的初级，使用高温黑体作为基础热源完成水冷Gardon计的绝对标定。
优选的是，其中，所述步骤五中利用Cook-Felderman公式或热电模拟网络处理这一车次下薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，所使用的Cook-Felderman公式为：
Figure BDA0003679808030000031
其中，ti、ti-1、tn是离散的时间，Vi、Vi-1是采集到的薄膜热电阻或同轴热电偶的时间序列输出。
优选的是，其中，所述步骤七使用的最小二乘法如下式所示：
Figure BDA0003679808030000041
利用上式拟合方法处理Vcal和qsource即可获得薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数，其中β是薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数，j是激波风洞试验车次编号。
本发明至少包括以下有益效果：本发明所提供的在线标定方法利用了ALTP热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间进行热流测试的特点，采用经过标定的ALTP热流传感器测热结果作为标定热流，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，通过拟合在多个不同试验条件或车次下的试验结果获得该灵敏度系数。虽然在处理传感器输出时，也利用了Cook-Felderman公式核心部分，但是在对试验数据进行拟合的过程中已知的标定热流又起到了校正的效果。本发明解决了薄膜热电阻和同轴热电偶用于热流测试时获得的热流测试结果不确定度高的问题。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1所示为本发明标定过程的量值传递链。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明公开了一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，包括：
利用原子层热电堆热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间测热的特点，在激波风洞或校准激波管测试中将经过标定的原子层热电堆热流传感器获得的热流测试结果作为标定热流，同时利用Cook-Fel derman公式变换薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，利用最小二乘方法拟合传感器输出变换后有效时间段内的平均值和标定热流，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数。用到的设备主要包括：低温辐射计，硅陷阱探测器，室温电替代辐射计，水冷Gardon计、ALTP热流传感器、薄膜热电阻或同轴热电偶、基于激光的热流标定设备、激波风洞或校准激波管。
本发明薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法的具体步骤包括：
步骤一、用低温辐射计、硅陷阱探测器、室温电替代辐射计构成的量值传递系统，标定过程的量值传递链如图1所示，由低温辐射计、硅陷阱探测器以及室温电替代辐射计组成的量值传递链能有效保证水冷Gardon计的测热结果准确且可靠，低温辐射计、硅陷阱探测器和室温电替代辐射计都是光功率测试设备，用于对激光的功率进行测量，低温辐射计是光功率计中精度最高的设备，这些设备构成的一个量值传递链，用以保证室温电替代辐射测试结果的准确性；在基于激光的热流标定设备上利用室温电替代辐射计完成水冷Gardon计的标定；基于激光的热流标定设备提供了这一系列量值不同的热流源；
如图1所示，对水冷Gardon计的具体标定方法为：使用测量精度最高的低温辐射计测量激光器发出的激光功率P1，然后在相同激光功率下用硅陷阱探测器进行测量，采用这种方法对硅陷阱探测器进行标定；使用标定好的硅陷阱探测器测量激光器发出的激光功率P2，其中P1＜P2，然后在相同激光功率下使用室温电替代辐射计进行测量，采用这种方法对室温电替代辐射计进行标定；使用标定好的室温电替代辐射计测量激光器发出的激光功率P3，然后在相同激光功率下用水冷Gardon计进行测量，从而完成水冷Gardon计的标定；其中低温辐射计使用液氦进行冷却，测量精度等级为微瓦级到毫瓦级之间，硅陷阱探测器测量精度等级为毫瓦级，室温电替代辐射计测量工作温度为室温(一般为20～25℃左右)；这里使用的基于激光的热流标定设备为激光器；
步骤二、在基于激光的热流标定设备上，使水冷Gardon计和ALTP热流传感器分别曝光于多个幅值不同的同一激光源，利用水冷Gardon计测得的输入热流完成ALTP热流传感器的标定；
步骤三、在风洞试验模型上对称安装ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶，保证ALTP热流传感器之间的距离尽可能的近；
步骤四、记录激波风洞有效开车车次下ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，根据ALTP热流传感器的标定结果获得这一车次下标定热流qsource；
步骤五、利用Cook-Felderman公式或热电模拟网络处理这一车次下薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，得到Vcal；
步骤六、在多个不同有效车次下重复步骤四～步骤五，获得ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶在不同车次下的一系列数据组；
步骤七、利用最小二乘方法拟合步骤六得到的这一系列数据组，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数；
步骤八、针对同一批生产的薄膜热电阻的灵敏度系数差异大的问题，利用热浴法获得各个薄膜热电阻的热电系数，用标定后得到的灵敏度系数去除各自对应的热电系数，即可得到较为一致的修正系数，即通过在线标定少量薄膜热电阻，结合热电系数的测定结果即可得到同一批生产的各个薄膜热电阻的灵敏度系数。
在上述技术方案中，所述步骤一中，所述量值传递系统并不局限于基于对比标定的由低温辐射计、硅陷阱探测器和室温电替代辐射计等构成的量值传递系统；同时，基于黑体理论的高温黑体同样可作为量值传递系统的初级，使用高温黑体作为基础热源完成水冷Gardon计的绝对标定。
在上述技术方案中，所述步骤五中利用Cook-Felderman公式或热电模拟网络处理这一车次下薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，所使用的Cook-Felderman公式为：
Figure BDA0003679808030000061
其中，ti、ti-1、tn是离散的时间，Vi、Vi-1是采集到的薄膜热电阻或同轴热电偶的时间序列输出。
在上述技术方案中，所述步骤七使用的最小二乘法如下式所示：
Figure BDA0003679808030000071
利用上式拟合方法处理Vcal和qsource即可获得薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数，其中β是薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数，j是激波风洞试验车次编号。
利用本发明提供的在线标定方法取得的结果分别如表1和表2所示，其中，表1为五支薄膜热电阻的标定结果，表2为四支同轴热电偶的标定结果。
表1五支薄膜热电阻的标定结果
Figure BDA0003679808030000072
表2四支同轴热电偶的标定结果
Figure BDA0003679808030000073
从表1和表2中都可以看出同一批生产的薄膜热电阻的修正系数一致性较好，同轴热电偶的灵敏度系数一致性较好，也就是可以用少量标定结果获得同一批次生产的大量薄膜热电阻或同轴热电偶的性能参数。
对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，其特征在于，包括：
利用原子层热电堆热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间测热的特点，在激波风洞或校准激波管测试中将经过标定的原子层热电堆热流传感器获得的热流测试结果作为标定热流，同时利用Cook-Fel derman公式变换薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，利用最小二乘方法拟合传感器输出变换后有效时间段内的平均值和标定热流，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数。
2.如权利要求1所述的薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，其特征在于，在线标定方法的具体步骤包括：
步骤一、用低温辐射计、硅陷阱探测器、室温电替代辐射计构成的量值传递系统，在基于激光的热流标定设备上利用室温电替代辐射计完成水冷Gardon计的标定；
步骤二、在基于激光的热流标定设备上，使水冷Gardon计和ALTP热流传感器分别曝光于多个幅值不同的同一激光源，利用水冷Gardon计测得的输入热流完成ALTP热流传感器的标定；
步骤三、在风洞试验模型上对称安装ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶，保证ALTP热流传感器之间的距离尽可能的近；
步骤四、记录激波风洞有效开车车次下ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，根据ALTP热流传感器的标定结果获得这一车次下标定热流qsource；
步骤五、利用Cook-Felderman公式或热电模拟网络处理这一车次下薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，得到Vcal；
步骤六、在多个不同有效车次下重复步骤四～步骤五，获得ALTP热流传感器和薄膜热电阻或同轴热电偶在不同车次下的一系列数据组；
步骤七、利用最小二乘方法拟合步骤六得到的这一系列数据组，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数；
步骤八、针对同一批生产的薄膜热电阻的灵敏度系数差异大的问题，利用热浴法获得各个薄膜热电阻的热电系数，用标定后得到的灵敏度系数去除各自对应的热电系数，即可得到较为一致的修正系数，即通过在线标定少量薄膜热电阻，结合热电系数的测定结果即可得到同一批生产的各个薄膜热电阻的灵敏度系数。
3.如权利要求2所述的薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，其特征在于，所述步骤一中，所述量值传递系统并不局限于基于对比标定的由低温辐射计、硅陷阱探测器和室温电替代辐射计构成的量值传递系统；同时，基于黑体理论的高温黑体同样可作为量值传递系统的初级，使用高温黑体作为基础热源完成水冷Gardon计的绝对标定。
4.如权利要求2所述的薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，其特征在于，所述步骤五中利用Cook-Felderman公式或热电模拟网络处理这一车次下薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，所使用的Cook-Felderman公式为：
Figure FDA0003679808020000021
其中，ti、ti-1、tn是离散的时间，Vi、Vi-1是采集到的薄膜热电阻或同轴热电偶的时间序列输出。
5.如权利要求2所述的薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，其特征在于，所述步骤七使用的最小二乘法如下式所示：
Figure FDA0003679808020000022
利用上式拟合方法处理Vcal和qsource即可获得薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数，其中β是薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数，j是激波风洞试验车次编号。
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