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蓝宝石光纤黑体腔温度传感器外推方法研究

申国清  
【摘要】: 在航空、兵工和某些一般类工业中,瞬态温度的准确测试通常是至关重要的。如航天发动机尾焰温度、炮管内壁温度和内燃机燃烧气体温度等。这些都是幅值高、变化快的瞬态高温,而且测试条件恶劣,测试所需技术难度非常高。 基于Planck黑体辐射定律的蓝宝石光纤黑体腔温度传感器就是在以上温度测试背景下研发的。用蓝宝石光纤黑体腔温度传感器测温时,测温系统最终会得出温度值。但是这一温度值是根据黑体腔内表面热辐射信号得出的,严格地讲,该温度值只是黑体腔内表面的温度,并非被测物的真实温度。因黑体腔外表面与被测物直接接触,可以认为黑体腔外表面的温度与被测物的温度是保持一致的。为了更加准确地得到被测物的真实温度,在传热学的基础上提出了黑体腔外推理论,分析了黑体腔的传热规律,并用外推法推导了黑体腔外表面的温度。 目前常用的温度外推法有分析法、分离变量法和有限差分法等。分析法的推导过程容易,但是外推结果中高斯误差补函数的2n重不定积分计算困难,系数bn不容易得到,并且外推结果存在拟合误差。分离变量法外推结果容易用计算机实现,但是推导过程复杂,并且外推结果的应用条件受到黑体腔膜层厚度的严格限制,如果黑体腔膜层厚度x p 18.6um,分离变量法的外推结果将是荒谬的,不再适用于分析黑体腔传热。有限差分法的推导过程简单,而且外推结果在计算机上容易实现,但是有限差分法存在振荡现象,为了消除振荡,对黑体腔内表面温度抽样值形成的曲线光滑度要求非常严格,抽样曲线越光滑,振荡越小,外推结果越准确,但是运算量会增大,运算时间也会加长,这种权衡在数值计算中通常都要出现。 分析结果表明,当黑体腔膜层厚度为数百微米时,可以采用分离变量法或有限差分法,当黑体腔膜层厚度为几十微米,而且黑体腔内表面抽样温度值不十分光滑时,可以采用分析法,如果黑体腔内表面抽样温度值比较光滑时,可以采用有限差分法。


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