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《中北大学》 2018年
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蓝宝石超声温度传感器及激光加热标定系统研究

梁海坚  
【摘要】:长时间、原位温度测量,可以为发动机设计改进、性能提升提供更多参考。实现发动机等恶劣环境中温度测量,需要设计性能更加优良的温度传感器,超声测温技术的出现,为解决该问题提供了新的途径。蓝宝石具有熔点高、抗氧化的特点,是一种优良的耐高温材料,可以用来设计制作超声温度传感器。温度传感器设计的合理性和可靠性需要通过大量的实验进行验证,对温度传感器进行静态和动态标定,是保证传感器在各种恶劣条件下温度测试结果准确性的前提。构建高功率半导体激光器作为辐射热源的标定系统,可以实现超声温度传感器的标定。因此,为了解决恶劣环境下温度测量和标定问题,本文研制了蓝宝石超声温度传感器,采用高功率半导体激光器作为辐射热源,构建超声温度传感器标定系统。具体研究内容如下:(1)蓝宝石超声温度传感器的设计与实现:根据超声导波测温原理,对蓝宝石超声波导的特性进行仿真分析,并根据结果设计了长度为300mm、直径为0.7mm、凹槽直径为0.5mm和敏感区长度为28mm的蓝宝石超声温度传感器。研究了蓝宝石超声波导的频散特性,选择L(0,1)为导波模态,对蓝宝石超声波导进行热力学和20℃~1800℃的瞬态动力学仿真。对仿真结果分析发现,随着温度升高蓝宝石超声波导信号的延时增大,但是信号幅值基本保持不变。(2)高功率半导体激光器加热均热块构建超声温度传感器标定系统的方案研究:研究了超声温度传感器标定系统的实现方案,设计了标定系统的结构,从而实现蓝宝石以及测温上限更高的超声温度传感器静态和动态标定。根据传热学基本原理,建立了标定系统中均热块的传热模型,研究了加热过程中均热块的热学特性、温度分布特性和热平衡温度。对于均热块的温度采用测温仪对发射率为0.99的模拟黑体腔进行测量。利用COMSOL Multiphysics软件对长方体、圆柱体和平板形均热块进行仿真,结果表明平板形均热块20℃~2600℃加热曲线最优。(3)利用飞秒激光诱导形成微纳结构提高均热块表面吸收率研究:利用金属表面微纳结构的近场光束缚和场强增强效应,将金属钨表面的吸收率提高至93%,不仅降低了系统对激光器功率的要求,还使得利用高功率半导体激光器能够产生2600℃的高温环境。利用时域有限差分法(FDTD)对金属钨表面微纳结构导致吸收率提高的原因进行分析,发现激光诱导在金属钨表面形成的周期性纳米突起与凹陷结构具有提升吸收率的作用。将表面带有微纳结构和表面抛光的均热块采用激光加热进行对比,发现带有微纳结构的均热块加热最高温度比表面抛光的均热块高88℃,达到最高温度的时间快25s。(4)激光加热超声温度传感器标定系统的构建及试验:利用制作的钨-石墨复合结构均热块、石墨毡和耐高温腔组成了标定系统高温工作区。利用测温仪对均热块温度进行测量从而形成反馈,通过相关算法实现标定系统的温度控制。构建超声温度传感器标定系统,对系统性能进行了测试。利用标准测温仪对系统温度监测使用的测温仪进行校准,实现温度传感器动态标定的可溯源。研究超声温度传感器的静态与动态标定方法。利用蓝宝石超声波导设计制作温度传感器,对传感器进行20℃~1800℃的静态标定,获得传感器静态特性曲线;对蓝宝石超声温度传感器进行动态标定,得到时间常数为2.7s。在模拟航空发动机测试平台上,对燃烧室出口温度进行了测试,为传感器的实用化奠定了基础。利用该传感器对等离子体源进行接触式温度测量,测得等离子体源最高温度为1966℃。
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP212

【参考文献】
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