高温测量及其校准技术研究现状与发展趋势

郝晓剑，张志杰，周汉昌

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

温度在科研和生产中都是一个非常重要的物理量，属国际单位制7个基本单位之一. 温度概念的建立以及温度的测量，都是以热平衡现象为基础的. 目前，主要的温度传感器，如热电偶、 热电阻及辐射温度计等温度测量方法在技术上已经成熟，能满足一般应用场合的要求，如图 1 所示. 表 1 为接触和非接触测温方法的优缺点. 但在航空、 航天、 兵器、 化爆和核爆等领域，温度测量条件非常恶劣，技术难度很高，各研究机构及高校对长时间高温或瞬态高温测量技术都给予了高度重视[1-10]. 为了确保动态参数测试的准确可靠和统一，就要求在积极发展动态参数测试技术的同时，必须大力开展动态校准(标定)技术的研究[11-14]. 针对高温参数动态测试过程存在单次、 瞬态、 测试环境恶劣等特点以及“测不到、 测不准、 不可靠”等难题，亟需独立发展我国的先进测试技术.

图 1 温度测量方法Fig.1 Temperature measurement method

表 1 测温方法的优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of temperature measurement methods

1 极端环境传感与测试面临的共性技术问题

不同于传统的传感与测试方法，极端环境传感与测试面临的共性技术问题是将测试系统直接放置在实际运动着的被测体内或被测环境中，系统在承受与被测对象相同的极其恶劣的动态环境参量作用条件下实时实况准确地获取所需信息. 由于有高温、 高压、 高旋、 高冲击、 强噪声等环境因子引入，如图 2 所示，会对测试系统产生强耦合干扰，导致测不了、 测不准、 活不了等问题的存在，因此，给传感测试技术带来极大挑战.

图 2 一个通道的测试系统Fig.2 A channel of a testing system

图 2 中，x(t)为输入的被测信号，通过信号系统特性Gs输出yx(t)；v(t)为单一环境因子，是一种调变信号，通过Gvs调变Gs，通过Gvg调变Gg；g(t)为复合环境因子，是干扰信号，通过干扰特性Gg直接输出yg(t)；Gs为信号通道的响应特性；Gg为信号通道的干扰特性；Gvs和Gvg分别为单一环境因子v(t) 调变信号系统特性Gs及复合环境因子g(t)调变干扰特性Gg的调变函数，要建立其函数关系是很复杂的；y(t)为测试系统输出信号，由yx(t)和yg(t)合成.

如图 3 所示，围绕极端环境下特种传感与动态测试方法，针对长时间高温测不了难题，从高动态层面，研究了3 000 ℃ 高量程钨铼合金丝高温传感器； 针对瞬态表面高温测不准难题，从高精度层面，提出了无上限热激发原子发射双谱线和2 000 ℃蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温测试技术； 针对活不了难题，从高可靠层面，研究极端环境(3 000 ℃、 20×105g、 800 MPa)下存储测试与防护方法.

图 3 高温测量及溯源性动态校准方法Fig.3 High temperature measurement and traceability dynamic calibration

2 特种高温传感器件与标定方法

2.1 航空航天发动机长时间高温测试

在航空和航天发动机及飞行器研制和使用中，迫切需要解决长时间高温参数的测试问题，为系统设计、 功能提升和性能评估提供重要数据. 以往有线测试系统不仅会对被测结构的性能产生不良影响，且引线连接的测试方式在发动机叶片等高速旋转部件环境中难以实现，高温下引线失效和焊接脱离也限制了传感器工作温度的提升. 为此，提出超声波导测温方法，测温上限为3 000 ℃，解决了宽温区长时间高温测试难题.

2.1.1 超声导波测温机理

如图 4 所示，在距敏感元件端头Δs处刻有一个凹槽，构成传感器敏感元件. 该凹槽为传感器区截，将敏感元件有区截的一端置于温度场中，使其与被测温场达到热平衡. 在敏感元件中传播的超声波遇到区截时一部分发生反射，产生节点波，另一部分发生透射，透射的超声波继续传播，遇到敏感元件端面时再次发生反射，产生端点波. 节点波与端点波的时间差Δt即为超声波时延值. 获取超声回波信号中节点波与端点波时延值是温度信息解耦算法的核心. 被测高温场的温度变化会引起敏感元件中超声波传播速度的变化，进而引起 Δt变化，即

(1)

图 4 超声波测温原理示意图Fig.4 Schematic diagram of ultrasonic temperature measurement principle

2.1.2 钨铼合金丝超声导波测温系统

根据理论可知，在不同温度下超声波在波导杆中的传播速度不同. 钨铼合金丝为耐高温材料，熔点在3 000 ℃以上，导声特性较好，超声波在其中的传播速度随温度变化较大. 测温系统整体方案如图 5 所示. 以精度为3‰的B型热电偶作为标准，将长度为1 m，直径为 1 mm，节距长为 27 mm 的钨铼合金丝波导测温传感器在氩气保护环境中对传感器进行标定. 温度-时延值的3次拟合曲线如图 6 所示.

经测试，该系统实现了空天发动机2 200 ℃温度下压力的长时间测试[1,5].

图 5 超声测温系统方案Fig.5 Scheme of ultrasonic temperature measurement system

图 6 温度-时延值的3次拟合曲线Fig.6 Three time fitting curve of temperature and time delay

2.2 瞬态(ms级)高温测试

在兵器、 核爆和化爆试验中，有许多研究对象测量的是瞬态高温，其特点是温度高、 变化快、 常为不可重复的一次性过程. 因此，测量条件非常恶劣，技术难度很高. 目前国内现有的高温测量技术和设备都无法满足这些领域的高温测试需求，所以迫切需要探索新的瞬态高温测试方法.

2.2.1 原子发射双谱线瞬态高温测量

1) 热激发原子发射双谱线测温机理

根据爱因斯坦辐射理论可知，原子发射双谱线温度可由式(2)决定

(2)

式中：T为待测温度；A和B为综合考虑了原子的特性、 波长以及系统的光传递函数等因素后的特定常数，可以通过对测温系统进行温度标定获取. 由数据采集部分所记录的两个通道电压信号Iλ1和Iλ2，通过式(2)获得瞬态高温，理论上无测温上限.

2) 原子发射双光谱测温系统

如图 7 所示，燃烧高温气体中温标元素原子的光谱辐射由蓝宝石窗口导入，经Y型光纤和特定波长的窄带滤光片分两束传输，由固态光电倍增管 SiPM 将光信号转换为电信号进行数据处理和存储.

图 7 原子发射光谱测温系统方案Fig.7 The scheme of atomic emission spectrometry temperature measurement system

对于波长已经确定的λ1和λ2两条原子发射谱线，只要通过标定获得两谱线强度的比值，由式(2) 便可推出被测体的温度值. 其静态标定装置如图 8 所示，标定结果如图 9 所示.

图 8 原子谱线测温静态标定示意图Fig.8 Schematic diagram of static calibration for atomic spectral temperature measurement

图 9 原子谱线测温系统静态标定曲线Fig.9 Static calibration curve for atomic spectral temperature measurement

经测试，该系统实现了高能炸药毫秒级2 600 ℃ 的瞬态高温测试[8].

2.2.2 蓝宝石光纤黑体腔瞬态高温测量

1) 黑体腔传感器测温机理

根据Planck黑体辐射定律可知，辐射光信号经光纤传入光探测器后输出的电压为

(3)

其中

K=η(λ0)×f(λ0)×D(λ0)×ε(λ0)，

式中：λ和Δλ为探测的波长和带宽；R(T)可由数值积分得到；K为取决于光信号传输过程中各种光纤传输、 耦合和其他光学元件的插入损耗、 窄带光电探测器的灵敏度系数，若忽略温度变化引起损耗和发射率随温度的改变，它是与温度无关的装置常数，可通过静态标定得到. 由于K与温度无关，只需在一个温度下标定即可.

2) 黑体腔传感器静态标定

标定可在如图 10 所示的装置上进行，用计量部门检定过的钨铼高温热电偶精确控制金属传热体的温度，经标定的钨铼热电偶可测温度上限为2 000 ℃，将它和蓝宝光纤黑体腔温度传感器置于高功率CO2热源所形成的高温均热金属熔池恒温区域，以保证标定精度. 已知经标定的钨铼热电偶的输出电压，根据分度表可得出其对应的温度T. 利用温度T以及式(3)可求出标定系数K，由相应处理软件得到被测温度值. 图 11 为蓝宝石光纤黑体腔静态标定曲线.

图 10 蓝宝石光纤黑体腔静态标定示意图Fig.10 Schematic diagram of static calibration of sapphire fiber blackbody cavity

图 11 蓝宝石光纤黑体腔静态标定曲线Fig.11 Static calibration curve for sapphire fiber blackbody cavity

3) 蓝宝石光纤黑体腔瞬态测温系统

如图 12 所示，辐射光信号由光纤传导后经耦合模块到带尾纤的光电探测器件. 光电探测器将光信号转变为电信号，由数据采集部分采集，经专用测温软件处理得出温度-时间对应曲线.

图 12 蓝宝石光纤黑体腔测温系统Fig.12 Sapphire fiber blackbody cavity temperature measurement system

经测试，磁控溅射/等离子喷涂镀膜工艺非金属膜层： 氧化铬(2 266 ℃)、 氧化锆(2 715 ℃)、 碳化钨 (2 870 ℃)的响应时间为毫秒级，成功测得某发射箱前框瞬态高温1 465.51 ℃[9-10].

3 瞬态表面温度传感器溯源性动态校准方法

研究表面温度传感器动态校准的目的在于利用可溯源的、 快速变化的温度信号来探明各类温度传感器的动态响应，并对测温结果进行修正使之更接近于真实的温度信号，从而达到减少动态响应误差的目的.

3.1 溯源性校准系统

如图 13 所示，采用可高频调制的大功率激光器(固体激光器、 气体激光器、 半导体激光器、 光纤激光器等)作为测温传感器的加热源，利用具有共轭光学系统的椭球面反射镜以及高速响应的辐射温度计，针对航空、 航天发动机、 化爆、 核爆等行业瞬态高温快速、 准确动态测试的需求，对时间常数为毫秒和亚毫秒量级的高速表面温度传感器进行动态校准和补偿.

图 13 瞬态表面温度传感器可溯源动态校准系统Fig.13 Traceable dynamic calibration system for transient surface temperature sensors

3.2 溯源性动态校准原理

如图 14 所示，分别对辐射温度计进行静态校准和被校温度传感器进行动态校准.

1) 用经过检定的被校传感器对系统辐射温度计(IR探测器)进行静态校准. ①用激光加热被校传感器，产生不同的恒温. ②由被校传感器的输出检测温度. ③得到系统中辐射温度计的电压V-温度T曲线.

2) 用经过静态标定的辐射温度计对被校传感器进行动态校准. ①用从某时刻开始重复频率足够高的激光脉冲序列加热被校传感器，产生一个准阶跃温度变化. ②由辐射温度计得到传感器温度的真实变化. ③通过同时测得的被校传感器和辐射温度计的时间t-温度T两条曲线的比较来实现溯源.

图 14 瞬态表面温度传感器溯源性校准原理Fig.14 Traceability calibration principle of transient surface temperature sensor

3.3 表面温度传感器的反滤波补偿方法

将辐射温度计的时间t-温度T曲线作为输入，被校传感器的时间t-温度T曲线作为输出，分别求拉氏变换，就可以得出校准系统的传递函数，如式(4). 图 15 为经反滤波器后工作频带的展宽.

(4)

图15中曲线1为系统传递函数的幅频特性，可见在频率大于104Hz时，系统进入非平直段，被测信号各频率分量将会受到不同程度的衰减，会引起较大的波形畸变，即存在动态测量误差. 曲线2为反滤波器的幅频特性，连接反滤波器后系统的幅频特性如曲线3所示，可以看出系统的工作频带拓宽至100 kHz，较好地改善了系统的动态特性.

图 15 测温系统工作频带的拓宽Fig.15 Widening the working frequency band of temperature measurement system

4 高可靠存储测试与防护

极端环境下，传感器件与测试系统面临过载冲击损坏失效、 应力波破坏失效、 狭小空间下大容量数据丢失或受损等测试难题，亟需解决极端环境可靠测试与防护方法[14].

1) 提出了测试系统环境因子耦合作用及衰减抑制模型，建立了测试有效性/可靠性设计原则，形成了系统的动态测试理论与方法.

2) 提出了多通道有限容差编码的实时压缩存储测试方法，解决了“黑障区”狭小空间下长时间动态测试的难题.

3) 提出了多层复合、 隔离缓冲、 柔性灌封、 弓形走线综合防护方法，实现了3 000 ℃瞬态高温、 20×105g高冲击、 800 MPa高压环境下测试系统防护，解决了测试系统在极端环境下工作可靠性问题.

5 发展路线规划

经过30多年的努力，中北大学在高温测试与动态校准技术方面的关键技术研究有长足的进步，性能有大幅提高. 今后主要围绕我国“临近空间飞行器” “航空发动机和燃气轮机” “载人航天”和“嫦娥工程”等国家重大工程需求，解决超高温环境下的多参量物理场原位动态测量难题，形成具有高温传感与测试方法的特色研究方向. 待攻克关键技术如下：

1) 高温环境下多参数动态敏感方法.

2) 高温材料/微结构跨尺度集成制造.

3) 多参数高温物理场重建与分析方法.

4) 高温条件下多参数溯源性校准方法.

6 结 论

本文梳理了极端环境下的高温传感器件与动态测试方法. 研发了钨铼合金丝长时间(10 min)高温(3 000 ℃)传感器、 瞬态(ms、 0.1 ms)原子发射光谱双谱线测温器(理论无上限，实测值受标定技术中标准温度传感器的制约)、 蓝宝石光纤黑体腔高温传感器(ms、 0.1 ms、 2 000 ℃，蓝宝石熔点为2 047 ℃)及相应的标定方法，解决了高温、 高压、 高冲击、 高旋转、 强噪声等极端环境下的高温参数测试难题. 同时提出了瞬态表面温度传感器溯源性动态校准方法，使我国表面温度测量仪器或测量系统指示的量值能以特定的测量不确定度溯源到国家标准，对建立我国动态温度计量标准具有非常重要的意义.