王俊峰，李晋英

( 1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051;2. 山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

引言

温度是衡量物体冷热程度的物理量，是表征对象和过程状态的重要参数。在传统的测温技术领域，尤其是在兵器科学技术领域中，瞬态温度是许多兵器理论研究和实际应用中的重要参数，瞬态高温的准确测量是至关重要的。在传统测温领域中，由于热电偶的温度响应特性较慢(约1 s)，使被测温度与实际温度存在较大误差和滞后；热电阻式传感器所适用的温度范围(-200 ℃～600 ℃)不能满足高温场合；红外温度传感器容易受到火炮膛内以及爆炸场等恶劣环境下烟雾的干扰,影响测量精度。因此，为了精确测得瞬态高温，迫切需要一种耐高温、响应特性快并且受环境因素影响较小的测试装置[1-2]。

本传感器正是针对瞬态高温测量中温度高、变化快、可能伴有高压或高速流动气流、一次性过程居多的特点而研发设计。该传感器外形尺寸小，可测量微小空间内的瞬态高温受环境因素影响较小，适用于火炮膛内、爆炸场等高温、高压、高冲击的恶劣环境下的瞬态高温测量[3]，并且它能够克服热电偶、热电阻、红外传感器等显现的缺点，在瞬态高温测量领域具有很好的应用前景。

1 结构设计

1.1 整体结构组成

该瞬态温度传感器由温度敏感单元和信号调理单元组成。温度敏感单元由黑体辐射温度敏感体和圆柱状高强度金属外壳构成，外壳尺寸为φd×H=20.20 mm×36.40 mm。黑体辐射温度敏感体以蓝宝石为基底，在蓝宝石基底前表面沉积金属薄膜，在金属薄膜上面溅射热导率高的金刚石膜/氧化铝陶瓷基复合材料，在蓝宝石基底后表面采用脉冲激光沉积工艺镀上窄带滤光膜，在窄带滤光膜后面设置SSPM固态光电倍增管；信号调理单元由信号调理电路构成，光电变换器和温度信号调理电路采用环氧树脂整体固化并可设置在该温度传感器内部[4]，外壳与外壳基底采用螺纹连接，整体截面图如图1所示。

图1 整体结构截面图Fig.1 Sectional drawing of overall structure

1.2 结构材料选取

本结构中，所述的圆柱状高强度金属外壳为马氏体时效钢。蓝宝石基底为蓝宝石α-Al2O3单晶(膜厚约5 mm)，其物理化学性能稳定，机械强度好，本质绝缘，耐腐蚀,在0.3 μm～4.0 μm波段范围内透光性很好，熔点高达2 045 ℃。金属薄膜为金属钼Mo(膜厚约20 μm)，根据其熔点高达2 620 ℃、辐射能在2 330 ℃时达 700 000.0 W/m2，与蓝宝石膜有良好的附着力及热膨胀系数匹配,具有较高的发射率并随着温度的升高而增大等特点。热导率高的陶瓷薄膜为金刚石膜/氧化铝陶瓷基复合材料 (膜厚约3 mm)，熔点高，热膨胀系数小，导热系数高，并能够保护金属薄膜，防止金属薄膜层被高温氧化[5-6]。窄带滤光膜采用中心波长为680 nm、带宽为30 nm的TiO2材料制造的光学滤光膜(膜厚约10.0 nm～100.0 nm)。导线1为光电探测器与适配电路连接导线；导线2为适配电路信号线。

2 设计原理

2.1 设计思路

传感器采用一体化黑体辐射温度敏感体结构，使测量的温度信号实现热能-辐射光能-电能信号的连续转换。具体过程为：首先由陶瓷薄膜快速感知热量并迅速与被测温度场达热平衡，并刺激金属薄膜产生辐射光信号，经过滤光薄膜由SSPM固态光电倍增管将辐射光信号转换成电信号，传输给内部信号调理电路进行分析处理，最后将被处理的信号输出给某些存储装置。具体结构框图如图2所示。

图2 传感器结构框图Fig.2 Structure block diagram of sensor

2.2 工作原理

本传感器工作原理采用辐射式测温技术和接触式测温技术有机结合的方法，根据Planck黑体辐射定律，温度敏感单元置于温度为T的区域时，其单色辐射通量为

(1)

式中：λ为辐射波长；T为物体的绝对温度；C1、C2分别为第一、第二辐射系数；辐射光信号传入

SSPM固态光电倍增管后输出的电流为

(2)

式中：λ、Δλ分别为辐射光的波长和带宽；R(T)可由数值积分得到；K取决于光信号传输过程中的损耗与光电倍增管灵敏度的系数，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[7]。

2.3 适配电路

传感器适配电路为图2中信号调理电路，主要由电池、电源管理模块、信号放大电路和滤波电路组成。光电倍增管信号输出端联接温度信号调理电路的输入端Vin，经过信号调理电路调理分析由信号输出接口Vout以导线方式输出。根据普朗克黑体辐射定律可知，该黑体辐射温度敏感体部分所产生的辐射光信号，经光电倍增管接收处理后以电流的对数形式输出，具体适配电路图由图3所示。

图3 适配电路图Fig.3 Schematic of adapter circuit

3 仿真分析

本传感器仿真分析部分主要利用ANSYS有限元分析软件，对黑体辐射温度敏感体中的黑体感温薄膜进行瞬态热传导仿真分析，分析过程中所施加的瞬态高温温度载荷为2 000 ℃、2 500 ℃、3 000 ℃，得出其温度随时间的变化曲线，从而得到此温度传感器响应时间。

3.1 材料模型及参数

传感器所选黑体感温薄膜为金刚石膜/氧化铝陶瓷基复合材料，该复合材料由厚度为2.6 mm的金刚石薄膜和主晶相为α-Al2O3、纯度为95%、厚度为0.4 mm的Al2O3陶瓷基片,采用热丝化学气相沉积(HFCVD)方法构成[8]。其热力学性能参数如表1所示。

表1 金刚石膜/氧化铝陶瓷基复合材料热力学性能参数表Table 1 Thermodynamic performance parameters of diamond film/alumina ceramic matrix composites

3.2 几何模型的建立

本文所建立的几何模型结合传感器整体结构、所选材料模型及参数来构造，单位定为g-cm-ms-℃。结构选择上、下表面直径分别为1.80 cm、1.72 cm与厚度为3 mm的圆锥状结构，如图4所示。

图4 几何模型Fig.4 Geometric model

由于该瞬态高温传感器应用于瞬态高温测量领域，故在ANSYS仿真分析中采用瞬态热分析部分，选单元类型为Thermal Solid-Brick 8node70 八节点三维六面体单元。黑体感温薄膜在整个热传导过程中遵循傅里叶定律：

(3)

3.3 模型仿真

对所构造的几何模型采用ANSYS有限元分析软件进行仿真，给黑体感温薄膜上表面分别施加2 000 ℃、2 500 ℃和3 000 ℃的瞬态温度载荷，对其进行仿真分析，进而得出该瞬态高温传感器的响应时间。

当施加的温度载荷为2 000 ℃与传热时间为0.16 ms时，黑体感温薄膜整体温度分布云图如图5所示；温度随时间变化曲线如图6所示。

图5 黑体感温薄膜整体温度分布云图Fig.5 Cloud diagram of blackbody thermal film overall temperature distribution

图6 温度随时间变化曲线Fig.6 Temperature change curve over time

当施加的温度载荷为2 500 ℃，传热时间为0.18 ms时，黑体感温薄膜整体温度分布云图如图7所示；温度随时间变化曲线如图8所示。

图7 黑体感温薄膜整体温度分布云图Fig.7 Cloud diagram of blackbody thermal film overall temperature distribution

图8 温度随时间变化曲线如图Fig.8 Temperature change curve over time

当施加的温度载荷为3 000 ℃，传热时间为0.20 ms时，黑体感温薄膜整体温度分布云图9所示；温度随时间变化曲线如图10所示。

图9 黑体感温薄膜整体温度分布云图Fig.9 Cloud diagram of blackbody thermal film overall temperature distribution

图10 温度随时间变化曲线图Fig.10 Temperature change curve over time

3.4 结果分析

根据温度分布云图和整体温度随时间变化的曲线图，可得出结论：1)在2 000 ℃～3 000 ℃的瞬态高温测量中，其感温薄膜部分的响应时间t1≤498 μs，根据SSPM固态光电倍增管具有快速响应的特性，可知其响应时间t2≤1 ns[10]，根据普朗克黑体辐射定律结合金属钼较高的反射率，可计算得出其金属薄膜的响应时间t3≤92 μs，从而可得出该瞬态高温传感器的总响应时间t=t1+t2+t3≤590.001 μs。说明该传感器响应时间快的特点；2)当施加的温度载荷为2 000 ℃、2 500 ℃、3 000 ℃时，下表面感知到1 800 ℃的高温所用时间分别为202 μs、124 μs、81 μs，说明该瞬态高温载荷越大，该传感器的传热效率越高。

4 结论

本文采用辐射式测温技术和接触式测温技术，通过选取特殊材料并对整体结构采取合理防护，设计了一种新型瞬态高温传感器。经理论分析结合ANSYS有限元分析软件瞬态热传导分析，得出其整体响应时间t≤590.001 μs，并且该传感器具有瞬态温度载荷越大传输效率越高的特点。适合瞬态高温测量领域，能够克服恶劣环境的影响，具有较好的应用前景。

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