热流响应时间测试方法研究

张俊祺 邝浩欣 赵化业 裴雅鹏 刘 鑫 王文革 罗兆明

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.北京航天长征飞行器研究所，北京 100076)

1 引 言

热流传感器广泛应用于运载火箭和武器装备中的研制、试验和生产过程中。在火箭发动机的地面试验和飞行试验中，通过热流传感器测量尾焰热流，可得到火箭燃料的燃烧热量，为发动机的控制和调整提供可靠的数据。在新材料的研制过程中，通过热流传感器测量材料的热性能；在弹头和材料的烧蚀试验中都需要热流传感器测量热流；在火工品的研制过程中，也需要热流传感器测量火药的爆炸热流量，从而为火工品的研制提供准确数据[1～3]。

热流传感器通常包含三个参数：热流传感器的灵敏度、示值误差和响应时间。

我国从上世纪八十年代开始研制热流传感器的校准装置，经过几十年的工作，目前已经研制了一系列的热流传感器的校准装置，实现了热流传感器灵敏度和准确度的校准[4～6]。而热流传感器响应时间一直无法测量校准，只能使用生产厂家提供的计算数据，但由于热流传感器在制造过程中工艺一致性较差，通过热流传感器的通用计算方法，很难得到与实际相符的准确数据，使得实际工作中测量数据的动态准确度较差。

2 热流传感器响应时间测量原理

热流传感器响应时间τ是热流影响热流传感器测量速度的主要因素，也是衡量热流传感器动态测试性能的重要指标，确定热流传感器的响应时间对于保证动态测量的准确性具有非常重要的意义[7，8]。

热流传感器的响应时间是由热流传感器的材料、结构形式等因素决定。由于热流传感器热惯性的存在，一般将其视为一阶系统进行研究，则热流传感器对阶跃热流输入的响应为

(1)

式中：q—热流传感器的显示热流值，W/cm2；q0—热流传感器的初始显示热流值，W/cm2；qe—阶跃热流输入后热流传感器稳态显示热流值，W/cm2；t—对阶跃热流的响应时间，s；τ—热流传感器的响应时间，s。

由公式(1)可以看出热流传感器的响应时间是属于典型的按指数变化量。当t=τ时，则有

q-q0=(qe-q0)(1-e-1)=0.632(qe-q0)

(2)

即响应时间是热流传感器的显示热流值q与初始显示热流值q0之差达到热流阶跃的63.2%所需的时间，如图1所示。

图1 热流传感器动态响应曲线Fig.1 Dynamic response curve of heat flux sensor

3 热流传感器响应时间测试装置

根据响应时间的定义，确定了采用高功率激光器作为标准热流源，以标准辐射功率计作为辐射温度标准，以高速水冷快门作为热流阶跃发生装置，采用高速采集器进行高速采集，对热流传感器响应时间进行测试的方案[9,10]。

热流传感器响应时间测试装置组成如图2所示，该系统由激光热流辐射源、标准热流传感器、水冷快门、冷却系统、电动平移台、计算机控制与采集系统等组成。

图2 测试装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

激光热流源采用一套大功率、可连续工作的半导体激光器系统，主要由高功率激光器、电源系统、控制系统、水冷系统等组成。

激光器采用高功率的半导体激光器，最大输出功率可达到研制400W/cm2，激光器出口面积为(20×20)mm。为了保证达到较高的输出热流密度，采取多Bar条叠阵的方式扩展功率输出。

图3 激光器光源方式Fig.3 Types for light source of laser

标准热流传感器采用电校准法空腔式辐射功率计和GARDON式标准热流传感器。

高速水冷快门驱动平台采用进口高速电动驱动平台，最大速度达到4m/s。光栅尺分辨率：1μm，最大行程：极限行程260mm。快门控制器采用光栅尺编码器进行直接驱动。快门打开发出信号标记时间，作为阶跃热流的起始时间。水冷支架表面进行发黑处理，减小表面对激光或其他辐射的反射影响。支架内部设计蛇形水冷流道。快门打开时间经测试约为1ms，测量结果如图4所示。

图4 快门打开速度测量结果Fig.4 Measuring result of the shutter opening time

冷却系统为激光热流辐射源、水冷快门、标准热流传感器、被测热流传感器提供制冷降温。冷却系统由循环泵、储液箱、冷却器组、管路、阀门等组成。冷却系统制冷功率为5kW。该系统的制冷液为防冻冷却液，工作温度范围为(-30～105)℃。

计算机控制与采集系统由高速数据采集器、控制系统和计算机控制软件组成，仪器通讯采用串口通讯。主要功能实现校准过程中，标准热流计与被校热流计输出信号的采集、激光热流辐射源功率的控制调节以及水冷快门、电动平移台的控制。测试过程后，实现测试过程的自动化数据采集、计算以及测试结果的输出。

使用热流传感器响应时间测试装置为多家单位生产、使用的热流传感器进行了测试工作，验证装置的可靠性，如图5所示。经验证，本方法能够对响应时间20ms的热流传感器进行测试，结果合理有效。

图5 响应时间测试结果曲线Fig.5 Experimental data curve of response time

4 结束语

针对国内无法进行热流传感器响应时间测试的问题，设计了一套基于激光热流源的热流传感器响应时间测试装置，并对多个型号的热流传感器进行测试试验。实验证明，热流传感器响应时间测试装置能够满足测试需求，解决了热流传感器动态参数的测试难题，为热流传感器的研制、生产、选型提供了准确可靠的数据。