调制激光器激励法的热电偶时间常数测试

　　0　前言

　　温度传感器的时间常数τ是影响测温速度的主要因素,也是衡量温度传感器动态性能的重要指标,确定温度传感器的时间常数对于保证动态温度测量的准确性具有非常重要的意义。

　　在工农业生产、航天、环保、国防和科研等许多领域,对温度传感器的时间常数都有具体的要求。由于影响时间常数的因素多且复杂,难以用理论计算的方法获得准确的数值,因此采用实验测定的方法。然而目前用实验方法测定ms级及以下温度传感器的时间常数却是十分困难的,主要问题是缺乏有效的手段,难以获得与之相适应的较为理想的温度阶跃。因此,研究实用且能准确测定温度传感器时间常数的方法是十分有意义的。

　　1　时间常数测试原理

　　对于热电偶温度传感器,其时间常数τ可以定义为:

　　式中:W是热电偶材料的比重,V是体积,C是比热,h是导热系数,A是热电偶周围流体薄膜的面积。式(1)表明热电偶的时间常数是由热电偶的材料、结构形式及测温环境等因素决定的。

　　由于热电偶热惯性的存在,一般将其视为一阶系统进行研究,则热电偶对阶跃温度的响应为:

　　式中:T为热电偶指示温度,T0为热接点初温,Te为阶跃温度,t为对阶跃温度的响应时间,τ为热电偶时间常数。由式(1)可以看出热电偶的时间常数是属于典型的按指数变化量。

　　当t=τ时,则有:

　　即时间常数是热电偶指示温度T与初始温度T0之差达到温度阶跃(Te-T0)的63.2%所需的时间,这就是时间常数τ通常的定义,同时也说明了测量τ的方法。如图1所示,τ越小,响应曲线越接近于阶跃曲线,所以时间常数τ是反映一阶系统动态响应优劣的关键数据。尽管大部分温度传感器的动态特性可以近似地用一阶系统来描述,但这仅仅是近似的描述而已,实际应用中都是采用动态标定的实验方法。

　　2　响应时间测试总体方案

　　为了获得热电偶的时间常数,采用调制激光器激励法对热电偶时间常数进行研究,通过热电偶的升温过程测试其时间常数。如图2所示,激光器输出激光经过光隔离器由平面镀金全反射镜入射到聚焦镜,两镜距离60mm,平面镀金全反射镜与激光输出成45°夹角。经聚焦镜后输出的激光被热电偶传感器接收后输入示波器,由此可测量热电偶的上升时间。

　　另外,为减少来自激光电源和其他电磁装置对信号调节电路和记录仪器的外来干扰,将测试系统(除激光器以外)用大的电磁屏蔽室屏蔽并良好接地,保证了测试精度。

　　为了测量热电偶的时间常数,尤其是小惯性热电偶的时间常数(如ms级、μs级),需要较为理想的温度阶跃,即阶跃的上升时间应远小于被测热电偶的时间常数,才能使测试结果具有较好的准确性。本文采用了美国相干公司的K500型大功率高频调制CO2激光器作为加热热源来实现温度传感器的现场动态校准。经测试该CO2激光器脉冲上升时间为72μs,可连续加热,是测量亚微秒级及以上热电偶时间常数的理想激励源。此外,被测热电偶对阶跃温度的响应终止点的选取,决定了总阶跃温度量,直接影响了τ值,按一阶系统响应特性可知温度阶跃与激光器加热时间的关系,如表1所示。