刘成利， 王振廷， 贺天昊， 齐 娜， 王元委

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

随着航天器不断向高端领域进展，对航天器上搭载的各类传感器要求也越来越高。根据航天器上复杂恶劣的应用环境，对于接触式的传感器要求所使用的传感器不仅要测量2 000 ℃以上的超高温，在全温区也要有高精度和非线性优的特点[1，2]。温度是表征物理冷热程度的物理量，是航天领域一个重要的测量参数[3]。目前测量高温的接触式传感器一般有J型热电偶、K型热电偶、钨铼型热电偶等，相比于J型和K型等热电偶[4]，钨铼型热电偶能够测量超过2 300 ℃的高温，短时间测量可以达到2 700 ℃，能够满足航天器对测量的需求。热电偶的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的控制端，但常常起不到补偿作用，因此，还需要用冷端补偿的方法来消除冷端对测温的影响[5]。

本文提出了一种高精度的冷端补偿技术，设计了能够耐受超高温的探头结构，通过参数仿真及理论计算分析，将传感器的非线性误差控制在满量程的0.25 %，全温区精度控制在满量程的1.5 %，经传感器结构仿真分析及温度试验，仿真测试结果表明：该超高温温度传感器不仅能够耐受2 700 ℃高温，在全温区保持高精度的温度测量，而且能够实现传感器在恶劣环境下的高低温交替测量。

1 传感器的工作原理

传感器工作原理如图1所示，探头的钨铼热电偶丝是将外界温度信号转换为微弱的电压信号，通过补偿导线将电压信号传递给变换器。在变换器内部，将探头的微弱信号进行差分放大。同时，铂电阻与分压放大电路组成冷端补偿电路，冷端补偿电路的输出与探头放大后的信号进行加法运算得到精确的温度信号，再经调零点、满量程电路输出满足要求的标准电压信号[6]。

图1 传感器工作原理框图

传感器采用热稳定性可靠、耐高温的钨铼热电偶作为感温元件，并在冷端-40～70 ℃范围内对传感器进行温度补偿，在实现高温区温度测量的同时，实现低全温区的高精度温度测量[7]。钨铼热电偶的特点是：热电极丝熔点高(3 300 ℃)，在非氧化性气氛中化学稳定性好，长期使用温度为2 400 ℃，短期使用可最高达3 000 ℃[8]。

2 温度传感器的探头设计

2.1 传感器探头结构设计

传感器要耐受2 700 ℃高温，除热电偶的选取外，其热电偶丝的固定方式也是设计的重点，固定热电偶丝的捆绑线耐受温度为450 ℃左右，因此,要求捆绑线外需要一定的隔热措施。由图2可以看出，传感器除热电偶丝裸露在外，其他固定偶丝用的材料外都设计了隔热保护套。

图2 探头内部结构

探头敏感元件为钨铼热电偶丝，其固定主要由双孔瓷管及捆绑线组成，偶丝固定后在壳体中填充919胶再次固定[9]，填充919胶也可以起到一定隔热作用。外部隔热外壳采用耐高温的钨钼合金。

2.2 探头隔热仿真分析

探头暴露于2 700 ℃高温下，除钨铼偶丝外，其余部分在短时间内也应承受高温，尤其是固定偶丝的捆绑线，因此,捆绑线外要求覆盖隔热层，现对探头进行热力学仿真分析。图3为未填充胶的传感器外壳热分布图，外壳密度参数为7 850 kg·m-3,导热系数为60.5 W·m-1·℃-1，钨钼合金外壳能够起到一定的隔热作用[10]。

图3 未填充胶的传感器外壳热分布

在外壳和捆绑线中填充919胶，除能起到隔热作用外，还能够对捆绑线和偶丝起到一定固定作用，图4为填充胶的传感器热分布图。外壳密度参数为870 kg·m-3,导热系数为0.5 W·m-1·℃-1，从图中可以看出：捆绑线附近的温度为450 ℃左右，可以满足传感器耐2 700 ℃高温的要求[11]。

图4 填充胶的传感器热分布

3 温度传感器的变换器设计

3.1 热电偶差分放大电路

钨铼热电偶产生的热电势非常微弱，要求电路的放大倍数比较大，这样就要求反馈电阻比较大，较大的反馈电阻会带来温度漂移误差[12]。因此本设计采用T型反馈电阻网络，如图5所示。

图5 T型反馈电阻网络放大电路

对于上述电路，若其放大倍数为Au，则其放大倍数的计算公式为

Au=(R15+R8+R15×R8)/R22×R13

(1)

T型网络不仅可以实现较大的放大倍数，而且电路中的电阻均小于1 MΩ，在实现较大放大倍数的同时，消除了温度漂移带来的影响[13]。

3.2 调零点、满量程电路

传感器输出要求为标准的信号，后端要进行AD采集，因此要求电路输出的模拟量信号为0.2～4.8 V，通过调零点满量程电路可以将输出信号调理成标准信号，电路如图6所示。

图6 调零点满量程电路

3.3 高精度温度补偿电路

在实际检测过程中，环境温度等的改变均会对传感器产生一定影响，要保证低温区的高精度，就必须要对传感器进行高精度的温度补偿，如图7所示。

图7 温度补偿电路

温度补偿区间为-40～70 ℃，要对温度区间内的温度变化量进行分析，由表1可以看出：-40～70 ℃区间内，钨铼偶丝热电势每10 ℃的变化量平均值为1 mV。由T型反馈电阻网络放大后，每10 ℃的变化量平均值为1 mV。根据钨铼偶丝的变化量调节高精度温度补偿电路的电阻参数，将R6，R7设置成7.87 kΩ，R2与R3之间相差100 Ω即可实现在补偿电路中每10 ℃的变化量平均值为1 mV。

4 实验测试

4.1 非线性误差测试

变换器非线性误差利用信号源代替探头作为输入值，钨铼偶丝在0 ℃时对应的电动势为0 mV，2 700 ℃时对应的电动势为42.558 3 mV，用电压表测量变换器各点输出电压值，记录数据并拟合曲线，得到传感器理论输出值。各测试点测试值见表1。

表1 非线性误差测试结果

非线性误差计算公式为[14,15]

(2)

式中 ΔVomax为传感器输出与理论输出的最大偏差，mV；Vo10为传感器满量程输出，mV；Vo0为传感器零点输出，mV。根据式(2)可以计算出，传感器的非线性误差为0.25 %FS。

4.2 全温区精度测试

在0～2 700 ℃量程内均匀选取6个温度点(50，590，1 130，1 670，2 210，2 700 ℃)，连接传感器探头与变换器，分别测试变换器各点输出值，并与理论输出值对比，计算出理论值与输出值之间的偏差。各测试点测试值见表2。

表2 全温区精度测试结果

全温区精度可以根据式(2)推算，全温区最大偏差为0.734 V，可以推算出传感器精度为1.5 %FS。

5 结 论

本文针对航天器较恶劣的使用环境，设计了一种超高温高精度温度传感器，通过热力学模型推导，传感器可实现对2 700 ℃高温环境空气温度的测量，并在冷端-40～70 ℃范围内对传感器进行温度补偿，经传感器结构仿真分析与温度试验表明:设计的传感器不仅能在超高温温度下实现温度测量，而且非线性误差控制在满量程的0.25 %，全温区精度控制在满量程的1.5 %以内，能够实现传感器在恶劣环境下的高温、高精度测量。