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接触式温度传感器动态校准技术研究

李岩峰  
【摘要】:动态测量广泛存在于工业、农业、国防等领域,相对于静态测量,动态测量具有时空性、随机性、相关性和动态性等特点,这对测试系统的动态性能提出了较高的要求。温度是基本物理量之一,工程中温度参数的测量对评价系统的性能、指导系统设计具有重要的意义。各种动态温度(如汽车发动机燃气温度、火箭和导弹燃气射流温度及弹药爆轰温度等)不仅变化速度快,而且通常测试环境比较恶劣,对测试系统适用性提出了更高的要求。非接触式测温法虽具有较快的响应速度,但由于其测温原理的局限性、复杂的结构和高昂的价格限制了其应用,接触式测温法(如热电偶、热电阻、光纤温度传感器等)由于其结构简单、造价低廉、鲁棒性强等优点,广泛应用于恶劣环境下的动态温度测量。由于接触式温度传感器测试时需与被测对象进行热交换并达到热平衡,传感器本身的热惯性限制了其响应速度,当其动态特性无法满足动态测试的需求时,则会产生动态误差。因此,对传感器进行动态校准、了解其动态特性对于现场测试、传感器设计及误差修正具有重要意义。本文针对热电偶传感器的动态校准问题,研究了脉冲和阶跃激励下的两种动态校准方法,分别构建了基于激光器和高温炉的动态校准系统,并进行了动态校准实验,主要的研究内容和工作如下:(1)针对热电偶动态校准,分析了窄脉冲动态校准准则和阶跃动态校准误差。研究应用激光器对热电偶施加脉冲激励的方法,对激光加热固体金属的热效应及传热过程进行了研究,并应用ANSYS热分析软件进行了仿真分析。研究应用高温炉构建阶跃激励下的动态校准系统,提出了一种阶跃激励和响应信号数据处理方法,可在斜坡上升时间和热电偶时间常数近似的情况下,得到准确的时间常数。(2)应用高功率激光器构建了热电偶动态校准系统,主要包括脉冲激光控制、激光光束均匀化和传感器动态校准三部分。为保证校准实验的重复性和准确性,应用微透镜阵列构建了成像型激光光束均匀化系统。首先,研究了微透镜阵列光束均匀化的原理,并应用ZEMAX光学仿真软件对影响均匀化效果的一些参数进行了仿真。其次,为对均匀化效果进行测量和评定,应用楔形棱镜对高功率激光进行了衰减。校准系统中,激光加热热电偶表面的激励温度通过快速响应的红外测温仪进行测量。应用该系统进行了动态校准实验。(3)为了分析被校传感器的动态特性,需应用动态校准的数据建立传感器的动态数学模型。在分析系统辨识理论和建模方法的基础上,应用递推最小二乘法建立了被校热电偶的动态数学模型,提出了一种在频域内对模型不确定度进行分析的方法。为了对模型进行检验,在不同激光功率下对被校热电偶进行了动态校准实验,对比分析了热电偶响应和模型响应。(4)应用高温炉构建了热电偶动态校准系统,并分析了高温炉内热电偶的换热环境。为对被校热电偶施加阶跃激励,应用快速进给装置实现热电偶在高温炉内的快速插入和速度、位置控制。应用该校准系统,对一K型热电偶在不同高温炉温度下的时间常数进行了测试,并在同一温度下进行了多次重复实验,得到了该温度下的时间常数,并进行了不确定度评定。(5)针对双热电偶传感器的系统辨识和动态温度测量,研究了基于交叉关系算法的盲系统辨识方法。应用搭建的基于高温炉的热电偶动态校准系统,通过快速进给装置使双热电偶传感器在炉内往返运动,传感器受到周期变化的温度激励。应用基于交叉关系算法的盲系统辨识方法对热电偶时间常数进行估计。在对交叉关系算法中的代价函数进行优化时,提出应用粒子群优化算法在解空间上进行寻优,并对该方法的精度和抗噪性能进行了仿真分析。利用两支热电偶的模型和响应信号,对测量结果进行了修正,重建了输入温度信号。


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