[发明专利]一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法

说明书

本发明公开了一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，包括：利用原子层热电堆热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间测热的特点，在激波风洞或校准激波管测试中将经过标定的原子层热电堆热流传感器获得的热流测试结果作为标定热流，同时利用Cook‑Felderman公式变换薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，利用最小二乘方法拟合传感器输出变换后有效时间段内的平均值和标定热流，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数。本发明解决了薄膜热电阻和同轴热电偶用于热流测试时获得的热流测试结果不确定度高的问题。

技术领域

本发明属于热流传感器校准技术领域，更具体地说，本发明涉及一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法。

背景技术

当前，激波风洞等脉冲型风洞中主要是利用薄膜热电阻和同轴热电偶开展热流测试。当利用薄膜热电阻或同轴热电偶开展热流测试时，都是利用这两种传感器获得的表面温度通过反演的方式获得热流测试结果。所不同的是，薄膜热电阻利用的是诸如铂金属薄膜的电阻与温度之间的线性依赖关系实现温度测试的，而同轴热电偶是利用的是Seebeck效应获得表面温度测试结果的。较短时间内，通过温度获得热流测试结果的反演方法常用的是Cook-Felderman公式。Cook-Felderman公式是基于半无限体假设，通过严格传热方程推导得到的一个简化计算方法。在利用Cook-Felderman公式处理温度测试结果获得热流测试值的过程中需要使用到传感器基体材料的热物性参数，比如密度、热电系数(对于薄膜热电阻，热电系数是电阻-温度系数，对于同轴热电偶是Seebeck系数)、比热容和热传导系数。通常情况下是采用两步法的方式分别获得热电系数和热物性参数乘积，此过程中需要屏蔽侧向传热带来的影响。热电系数主要是通过恒温浴的方式获得传感器电压输出与温度之间的对应关系。对于同轴热电偶，热物性参数乘积多是将其快速的投入到温度和热物性参数都已知的溶液中，通过传热计算获得其有效的热物性参数乘积；对于薄膜热电阻，多是利用脉冲辐射法确定其有效热物性参数。事实上，利用脉冲加热法获得基底材料的热物性参数乘积的过程实质是将短时内的脉冲加热量在时间和空间上平均成输入热流，再利用Cook-Felderman公式反算。相应地，在不确定度分析时忽略了能量平均带来的影响，即二步法中缺少标定热流的直接测试。由此造成基于二步法标定的薄膜热电阻或同轴热电偶测热结果的不确定度估计偏低。此外，当利用激光作为热源，水冷Gardon计或原子层热电堆(AtomicLayer Thermopile,ALTP)热流传感器等作为传递基准时，不可避免的是为了获得待标定的薄膜热电阻和同轴热电偶感应面对激光一致、稳定且较高的吸收率，需要在薄膜热电阻和同轴热电偶感应面喷涂涂层且需严格控制涂层厚度，而在风洞试验使用中又需要去除这一涂层，这一过程相对麻烦而且有可能造成传感器损伤。本发明所提供的在线标定方法利用了ALTP热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间进行热流测试的特点，采用经过标定的ALTP热流传感器在激波风洞试验中的测热结果作为标定热流，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，通过拟合多个不同试验条件或车次下的试验结果获得该灵敏度系数。虽然在处理传感器输出时，也利用了Cook-Felderman公式核心部分，但是在对试验数据进行拟合的过程中已知的标定热流又起到了校正的效果。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种薄膜热电阻和同轴热电偶的在线标定方法，包括以下步骤：

利用原子层热电堆热流传感器响应时间短、线性度优良以及中低热流下可较长时间测热的特点，在激波风洞或校准激波管测试中将经过标定的原子层热电堆热流传感器获得的热流测试结果作为标定热流，同时利用Cook-Felderman公式变换薄膜热电阻或同轴热电偶的输出，将薄膜热电阻或同轴热电偶的热电系数和热物性参数乘积处理成传感器的灵敏度系数，利用最小二乘方法拟合传感器输出变换后有效时间段内的平均值和标定热流，即可得到薄膜热电阻或同轴热电偶的灵敏度系数。