一种热流静态校准的构造方法

技术领域

本发明涉及传感器校准技术领域，具体涉及一种热流静态校准的构造方法。

背景技术

同轴热电偶瞬态热流传感器是利用不同电极材料的Seebeck效应在不同温度梯度作用下形成电动势并予以测量，进而反演温度和热流的一种实验元器件，主要用于航空航天高超声速飞行器气动实验、高超声速流动相关实验等，具有响应快、量程大、精度高、鲁棒性强等特点。

而在目前热流传感器校准一般为动态校准，通过施加脉冲式的热流载荷考察传感器响应，包括激光加载法、液滴加载法、激波管标定法等，形成短时间的热流加载过程，并且即使在长时间的热流加载过程中能够获得大量的校准数据，但在长时间的动态校准下，动态标定对所施加的热流本身的载荷无法进行标定，并且高温区或者主加热区的检零端在热流传导路径上的热损失，具体包括热流面积、径向方向热损失以及测量重复性，以及装置的不确定性，都会使得温度梯度的变化较大，离散误差较大，以及传感器本身的温度变化也会影响热流的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热流静态校准的构造方法，以解决现有技术中在短时间的动态校准下，热流无法溯源，离散误差较大等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种热流静态校准的构造方法，包括步骤，

S100、在真空系统中构建高温区和低温区，并在高温区和低温区之间形成长度可控的热流状态桥，对热流状态桥进行静态长时间的热流加载；

S200、通过控制热流状态桥的高温区和低温区的温度梯度参数、对热流态桥的长度参数，获得多组热流密度qw，并根据测量热流状态桥的输出电压获得溯源温度ΔTe，并根据溯源温度ΔTe获得溯源热流密度qwe；

S300、根据多组热流密度qw和对应的溯源热流密度qwe构建热流传感器的校准参数ε＝(|qw-qwe|)/qw×100％。

作为本发明的一种优选方案，其中，其中，在S200中，对热流状态桥进行静态长时间的热流加载，并进行参数控制的具体方法为：

S201、构建热流状态桥的热流密度公式qw＝kΔT/Δy，其中，ΔT为高温区和低温区的温差，k为热流计系数，Δy为热流状态桥的长度；

S202、利用控制单一控制变量的方式，分别调节高温区和低温区的温度梯度参数，其具体范围为-150℃～150℃；以及对热流态桥的长度参数，其具体范围为3～150mm；

S203、并根据参数的变化对应的计算出qw。

作为本发明的一种优选方案，在S200中，在高温区和低温区之间的热流状态桥具体包括两种移动方式，一是，热流状态桥延伸入高温区和低温区的长度同步实现伸长或者缩短的变化，二是、热流状态桥的一端与高温区固定连接，热流状态桥的另一端延伸入低温区中以实现高温区和低温区之间的对流状态桥的距离减小或增大。

作为本发明的一种优选方案，其中，在热流状态桥的第二种移动方式中，所述热流状态桥包括圆柱状的外管体和内管体，所述内管体套装在所述外管体内部，且在所述内管体和所述外管体之间形成导流隙腔，所述内管体内部通过隔板分隔成多个导流槽，且多个所述导流槽和所述导流隙腔传导的热流在所述外管体位于所述低温区内的端部汇集。

作为本发明的一种优选方案，其中，在所述状态桥的第一种移动方式中，所述对流状态桥包括弹簧外管体和内管体，所述弹簧外管体的两端与所述高温区和所述低温区固定连接，所述内管体和所述弹簧外管体之间形成导流隙腔，且所述弹簧外管体的中间与所述内管体密封连接，所述弹簧外管体两端分别设置有连接外置恒温介质供源的介质进管和介质出关。

作为本发明的一种优选方案，还包括配合所述热流状态桥的真空稳态测量装置以及数据采集装置，其中，所述真空稳态测量装置，用于在真空状态下设置供目标传感器进行温度检测的高温区和低温区，并在高温区和低温区之间产生均匀温度梯度的对流换热状态；

所述标定计量装置，用于连接所述真空稳态装置的高温区和低温区，进行对流换热状态下的热流溯源；

所述数据采集装置，用于采集对流换热状态下产生的电动势数据，并通过电动势数据反演均匀温度梯度和标定计量装置溯源后的热流输出数据，获得热流输出数据和目标传感器温度输出数据的线性关系。

作为本发明的一种优选方案，所述真空稳态测量装置包括目标传感器、用于提供真空环境的真空罐体，独立设置在所述真空罐体中的高温形成装置和低温形成装置，所述高温形成装置和所述低温形成装置通过状态桥管连接，所述目标传感器安装在所述高温形成装置和低温形成装置上，所述数据采集装置连接在所述状态桥管位于所述低温形成装置内的端部，用于采集所述状态桥管在对流换热状态下产生的电动势数据。

作为本发明的一种优选方案，所述状态桥管与所述低温形成装置密封活动连接，所述真空罐体的内底部设置有用于改变高温形成装置和低温形成装置之间空间距离的位移装置，所述状态桥管在所述位移装置的带动下向所述低温形成装置内直线移动，以及设置在所述位移装置上用于同步测量高温形成装置和低温形成装置之间的所述状态桥管的长度的测距仪。

作为本发明的一种优选方案，所述高温形成装置和低温形成装置均包括固定连接所述真空罐体的上罐体和安装在所述位移装置上的下罐体，且所述上罐体和所述下罐体之间通过弹簧节管进行连接，所述目标传感器设置在所述上罐体的轴线上，所述状态桥管的两端分别连接在两个所述下罐体上，且所述状态桥管的一端与低温形成装置的下罐体密封活动连接。

作为本发明的一种优选方案，所述高温形成装置和低温形成装置之间设置有隔热板，所述隔热板上设置有供所述状态条管穿过的贯穿孔，且所述隔热板固定连接在所述双向螺杆的中间位置。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明通过在真空环境中利用高温区和低温区形成静态、稳定以及均匀温度梯度的热流，并通过可控距离的温度精细化和长时间的测量，避免了现有的传感器的动态标定以及热流无法溯源(所施加的热流载荷本身无法标定)的问题，减少了检测校准过程中的离散误差，并且使得校准过程中收到温度变化的影响小，有效的提高了同轴热电偶瞬态热流传感器的静态校准精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的真空稳态测量装置的系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供状态桥管的纵截面的结构示意图；

图3为本发明实施例提供热流状态桥延伸入高温区和低温区的长度同步实现伸长或者缩短的变化的结构示意图；

图4为本发明实施例提供热流静态校准的构造方法示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-真空稳态测量装置；2-标定计量装置；3-数据采集装置；4-高温形成装置；5-低温形成装置；6-状态桥管；7-驱动机构；8-上罐体；9-下罐体；10-弹簧节管；11-托盘；12-温度保持管；13-隔热板；

101-目标传感器；102-真空罐体；

601-外管体；602-内管体；603-导流隙腔；604-隔板；605-导流槽；606-弹簧外管体；

701-双向螺杆；702-固定槽杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，本发明提供了一种热流静态校准的构造方法，包括步骤，

S100、在真空系统中构建高温区和低温区，并在高温区和低温区之间形成长度可控的热流状态桥，对热流状态桥进行静态长时间的热流加载；

S200、通过控制热流状态桥的高温区和低温区的温度梯度参数、对热流态桥的长度参数，获得多组热流密度qw，并根据测量热流状态桥的输出电压获得溯源温度ΔTe，并根据溯源温度ΔTe获得溯源热流密度qwe；

S300、根据多组热流密度qw和对应的溯源热流密度qwe构建热流传感器的校准参数ε＝(|qw-qwe|)/qw×100％。

其中，其中，在S200中，对热流状态桥进行静态长时间的热流加载，并进行参数控制的具体方法为：

S201、构建热流状态桥的热流密度公式qw＝kΔT/Δy，其中，ΔT为高温区和低温区的温差，k为热流计系数，Δy为热流状态桥的长度；

S202、利用控制单一控制变量的方式，分别调节高温区和低温区的温度梯度参数，其具体范围为-150℃～150℃；以及对热流态桥的长度参数，其具体范围为3～150mm；

S203、并根据参数的变化对应的计算出qw。

本发明通过对热流状态桥的热流传导的精确控制，以及同步的热流溯源，并提供较大的热流溯源温度梯度范围，将热流加载范围控制在1KW/m

本发明根据校准参数的正太分布，溯源温度计算的理论热流密度和热流密度的偏差，从而更有效和直观的对传感器进行校准。

在对热流状态桥的精确控制上：在高温区和低温区之间的热流状态桥具体包括两种移动方式，一是，热流状态桥延伸入高温区和低温区的长度同步实现伸长或者缩短的变化，二是、热流状态桥的一端与高温区固定连接，热流状态桥的另一端延伸入低温区中以实现高温区和低温区之间的对流状态桥的距离减小或增大。

因考虑和加快校准的时间，采用复合样校准试验方法，即将热流状态桥的两种移动方式，均置于同一真空系统中。

在所述状态桥的第一种移动方式中，所述对流状态桥包括弹簧外管体606和内管体602，所述弹簧外管体606的两端与所述高温区和所述低温区固定连接，所述内管体602和所述弹簧外管体606之间形成导流隙腔603，且所述弹簧外管体606的中间与所述内管体602密封连接，所述弹簧外管体606两端分别设置有连接外置恒温介质供源的介质进管和介质出关，其中恒温介质供源中提供的介质为恒温水或者恒温油体。

在进行热流状态桥的径向热流损失的控制中，在热流状态桥的一个热流溯源测量周期内，将恒温介质通入导流隙腔603中，并在一个热流溯源测量周期内，测量导流隙腔603内的恒温介质的温升数据，作为溯源误差数据，在最后的计算过程中作为溯源温差的补偿数据。

如图1、图2和图3所示，其中，真空稳态测量装置1，用于在真空状态下设置供目标传感器进行温度检测的高温区和低温区，并在高温区和低温区之间产生均匀温度梯度的对流换热状态；

标定计量装置2，用于连接真空稳态装置的高温区和低温区，进行对流换热状态下的热流溯源；

数据采集装置3，用于采集对流换热状态下产生的电动势数据，并通过电动势数据反演均匀温度梯度和标定计量装置2溯源后的热流输出数据，获得热流输出数据和目标传感器温度输出数据的线性关系。

本发明利用在真空中的高温区和低温区形成稳定的稳压，并借此来减少外界环境对高温区和低温区形成的热对流的影响，利用真空状态限制高温区和低温区的热对流的温度变化梯度，从控制变量的手段上，将热流的动态状态，转变为相对稳定的静态热流，从而能够形成稳定的温度梯度。

并在此状态下，利用标定计量装置2对热流的输出端进行热流的实时溯源，来解决在短时间的动态标定下，由于热流的变化较大，校准过程中，数据采集装置采集的数据偏差较大导致的校准过程汇总的离散误差较大。

本发明提供了一种真空稳态测量装置1，包括用于对高温区和低温区的温度进行实时测量的目标传感器101、用于提供真空环境的真空罐体102，独立设置在真空罐体102中的高温形成装置4和低温形成装置5；

其中，高温形成装置4和低温形成装置5通过状态桥管6连接，利用状态桥管6进行热对流的传导；

目标传感器101安装在高温形成装置4和低温形成装置5上，数据采集装置3连接在状态桥管6位于低温形成装置4内的端部，用于采集状态桥管6在对流换热状态下产生的电动势数据。

对于现有的动态标定和校准过程中，进行热流传动的装置大多采用热阻板和热电堆或固定连接形成温差的冷热源，在固定状态下供热对流传感器进行数据采集和标定，而在这过程中，忽略了热流传导过程中的传导距离、热流面积、侧面热流损失、垂直方向热损失等影响最终校准结果的误差因素。

进一步地，状态桥管6与低温形成装置5密封活动连接，真空罐体102的内底部设置有用于改变高温形成装置4和低温形成装置5之间空间距离的位移装置，状态桥管6在位移装置的带动下向低温形成装置5内直线移动，以及设置在位移装置上用于同步测量高温形成装置4和低温形成装置5之间的状态桥管6的长度的测距仪。

为了在高温形成装置4和低温形成装置5进行位移时，避免因为两者的相对移动状态造成热流的流速和流量的变化，高温形成装置4和低温形成装置5均包括固定连接真空罐体102的上罐体8和安装在位移装置上的下罐体9，且上罐体8和下罐体9之间通过弹簧节管10进行连接，利用弹簧节管10的变形，使得上罐体8和下罐体9内部状态保持一定，并且在移动的过程中，通过高温形成装置4和低温形成装置5的同步移动变化，来尽可能的降低位移造成的内部环境的变换对状态桥管6内热流传导的影响，目标传感器101设置在上罐体8的轴线上；

状态桥管6的两端分别连接在两个下罐体9上，且状态桥管6的一端与低温形成装置5的下罐体9密封活动连接。

位移装置包括用于安装下罐体9的托盘11，以及用于驱动两个托盘11做相向或分离的直线运动的驱动机构7，驱动机构7包括用于螺纹连接两个托盘11的双向螺杆701，双向螺杆701通过固定槽杆702安装在真空罐体102的内壁上，双向螺杆701的上半部与托盘11螺纹连接，测距仪安装在固定槽杆702上。

在由于低温形成装置5内的整体温度相较于高温形成装置5内的存在的温差如果较大，则会影响状态桥管6在将热流传导入低温形成装置5内的瞬间状态变化，为此，低温形成装置5的下罐体9内壁上设置有与状态桥管6同轴的温度保持管12，通过温度保持管12来限制状态桥管6中的热流进入低温形成装置6内的瞬时空间，并且温度保持管12能够传导低温形成装置5内的温度变化，进而保证温度保持管12内部的温度变化稳定，温度保持管12径向延伸至下罐体9的轴心位置，温度保持管12的直径大于状态桥管6的直径。

进一步地，在热流状态桥的第二种移动方式中，所述热流状态桥包括圆柱状的外管体601和内管体602，所述内管体602套装在所述外管体601内部，且在所述内管体602和所述外管体601之间形成导流隙腔603，所述内管体602内部通过隔板604分隔成多个导流槽605，且多个所述导流槽605和所述导流隙腔603传导的热流在所述外管体601位于所述低温区内的端部汇集，为了减少热流在状态桥管6中的径向热量的辐射，以及提高热流在状态桥管6中传导时的温度变化梯度的均匀性，如图2所示，状态桥管6包括圆柱状的外管体601和内管体602，内管体602套装在外管体601内部，且在内管体602和外管体601之间形成导流隙腔603，导流隙腔603的厚度在0.5～1mm之间；

从高温形成装置4内形成的热流少部分流入导流隙腔603，利用导流隙腔603中的少量热流在导流隙腔603中形成隔离热流，对内管体602的径向热辐射进行隔离，从而保证了内管体602的热流传导的稳定，同时也将流入导流隙腔603中的热流作为固定的误差参数，便于后期的测量和误差排除。

为了减少高温区和低温区在真空环境中的热辐射的相互影响，本发明在高温形成装置4和低温形成装置4之间设置有隔热板13，隔热板13上设置有供状态条管6穿过的贯穿孔，其中贯穿孔可通过隔热材料与状态条管6的表面接触，且隔热板13固定连接在双向螺杆701的中间位置，具体以不影响测距仪的距离测量为准。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。