一种基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置及方法，目的是解决现有测量方法受被测对象发射率影响较大、响应速度不足等缺点。本发明专利技术的测量装置由封装壳体、热敏元件、记忆合金构件、滑块、固定底座、活动螺栓、螺丝组成，封装壳体、热敏元件、记忆合金构件、滑块、固定底座同轴安装。热敏元件在瞬态温度高温场携带的热量作用下温度升高，将热量传递给记忆合金构件，记忆合金构件受热收缩，带动滑块运动。瞬态高温场加载后根据滑块的位移得到记忆合金构件轴向缩短量，结合加载时间，可实现瞬态高温场热通量的无源定量测量。本发明专利技术结构简单、无需供电、布设方便、成本低、可重复使用，对不同强度的瞬态高温场均有高响应灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置及方法
本专利技术属于测量检测领域，具体涉及一种瞬态高温场热通量测量的方法和装置，是一种利用记忆合金受热产生塑性变形特性对瞬态高温场热通量进行测量的方法和装置。
技术介绍
目前，随着科学技术的发展，在一些应用场景中常形成瞬态高温场(瞬态高温场指高温场的存在时间为秒级，甚至于毫秒级)，例如炸药爆炸、燃气爆炸、矿山爆破，在这些情况下，测量由此形成的瞬态高温场的热通量对实际应用具有重要意义，因此针对瞬态高温场热通量测量的相关研究日趋成为研究热点。根据测量时检温元件与目标高温场的关系分为接触式和非接触式测温。非接触式测温主要包括：红外辐射测温法、荧光测温法、双谱线测温法等。红外辐射测温法可分为全辐射测温法及单色法、双波段测温法及多波段测温法等方法。全辐射测温法及单色法是根据测量波长从零到无限大整个光谱范围物体的总辐射功率用黑体定标的仪器来确定物体的温度；但是此方法受到被测对象发射率影响较大，在实际温度测量时难以得到理想的结果，因此在实际测温应用较少。双波段测温法及多波段测温法是根据测量两个(或者多个)给定波长λ1和λ2的辐射功率之比,用黑体定标的仪器来确定物体的温，适合测量发射率变化或未知的物体，但只适合于测量辐射能量密度大的高温物体。荧光测温是采用荧光物质受激发射出的荧光光强比或荧光寿命来实现测温。荧光测温所用的传感器体积小，无金属材料，具有完全的电绝缘性，不受高压、强电磁场的影响，抗化学腐蚀和无污染；但这种测温方法不能适应瞬态高温场的瞬态测量，且该传感器测量视野范围较窄，容易受到各种因素的影响(例如高温场携带有火光)。双谱线测温法是根据原子发射光谱理论，受激原子从高能级向低能级跃迁时，产生特定的原子光谱，以光的形式辐射出能量，这种非接触测温方法可以适用于瞬态高温场测温，但波段选择较为困难，需根据瞬态高温场环境条件进行选择。接触式测温法主要包括压力式测温、光纤测温法以及热电式测温法等。接触式测温时，检温元件要直接接触目标，传感器会产生热传导，根据热力学平衡定律，冷端和热端达到平衡时，检测元件会输出电信号；接触式测温主要运用的是热传导和热交换，由热力学第一定律得到，达到热平衡时检测元件的温度就可以看作被测介质的温度；接触式测温法最大的优点就是操作简单，直观易见。但是接触式测温法的测温原理都是以热平衡现象为基础的，即温度传感器要与被测对象充分接触并达到热平衡。由于接触式测温法的测温过程存在与被测对象的传热过程，限制了其响应速度；同时由于要与被测对象接触，也会对被测高温场产生干扰。综上所述，现有测量方法至少存在如下技术问题：1.现有非接触测温法存在受被测对象发射率影响较大、易受到其他因素的影响、所测温度为物体表面温度、周围介质易引起测量误差等问题，无法准确地测得瞬态高温场热通量。2.现有接触测温法存在响应速度不足、与被测对象接触产生被测高温场干扰等问题，引起测量结果存在误差。实际上，瞬态高温场热通量的测量可以通过某些受热变形性能较好材料的变形测量而获得，比如一些记忆合金材料是比较理想的受热变形材料。单向记忆合金受热后发生不可恢复的塑性变形，产生相应的收缩，此方法将瞬态高温场的热量转化为自身的定量塑性变形。现有的研究表明，经过合理的设计，记忆合金受热变形量较为平稳可控，是一种性能优良的受热变形元件。此外，在技术指标上，记忆合金在受热变形过程中，在一定范围内其吸收的热量和记忆合金的塑性变形量成确定的函数关系，这样的热量-形变量对应特性，使其可以用于热量的定量测量。记忆合金外形一般为弹簧状，不同直径、不同长度的记忆合金结构可构成多种规格的不同热量-形变量精确对应的测量结构，对不同强度的瞬态高温场均能实现比较精确的测量。同时，通过选择性能稳定、耐腐蚀的材料制作记忆合金结构，可制作出结构稳定、性能可靠、可长期保存和使用的瞬态高温场热通量测量传感器装置。虽然目前现有文献公开号为CN1323981的专利“使用了形状记忆合金的温度传感器及其制造方法”报导了使用记忆合金变形特性进行测量温度的方法，但是该文献只描述了恒温场的温度测量方法，并没有描述瞬态高温场热通量的测量方法。目前还没有采用记忆合金变形特性来进行瞬态高温场的热通量测量的装置和方法的报导。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于单向记忆合金塑性变形的瞬态高温场热通量无源测量装置及方法，解决现有非接触测温法存在受被测对象发射率影响较大、易受到其他因素的影响、所测温度为物体表面温度、周围介质易引起测量误差等难题；弥补现有接触测温法存在响应速度不足、与被测对象接触产生被测高温场干扰的缺点。所提供的传感器具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、布设快速、后结果处理方便、测量精度高等特点，可用于不同强度等级的瞬态高温场热通量的测量，为瞬态高温场热通量的测量提供一种新的参考选择。所提供的测量方法不受被测对象发射率影响、测量误差小，响应速度快、不受被测高温场干扰。本专利技术利用记忆合金塑性变形将热通量定量转化为记忆合金的定量塑性变形，从而实现在瞬态高温场热通量的快速定量无源测量。本专利技术基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置由封装壳体、热敏元件、记忆合金构件、滑块、固定底座、活动螺栓、螺丝组成。定义本专利技术靠近热敏元件的一端为右端，定义本专利技术远离热敏元件的一端为左端。记忆合金构件、滑块位于封装壳体内，热敏元件通过螺丝固定在封装壳体右端，对封装壳体右端面进行封装，固定底座通过活动螺栓固定在封装壳体左端。热敏元件、记忆合金构件、滑块同轴安装。记忆合金构件的右端、左端均通过胶结剂分别与热敏元件、滑块连接。封装壳体为圆筒型，外直径D1满足0.01m<D1<0.5m，壁厚t1满足0.001m<t1<0.2m，内直径d1满足d1＝D1-2t1，长度L1满足0.01m<L1<2m；在封装壳体右端面加工有4个螺丝孔，螺丝孔中心距封装壳体端面圆心距离r1满足r1＝(D1+d1)/4，螺丝孔直径φ1满足0.005m<φ1<t1，螺丝孔深度l1满足0.002m<l1<0.1m。封装壳体通过螺丝和螺丝孔将热敏元件固定在右端面上。封装壳体内外壁均贴有隔热层(要求隔热层表面光滑，导热系数低于0.018W/(K·m))，使得封装壳体内外无热交换，从而达到隔热的目的。封装壳体装载滑块，且保证滑块可在封装壳体内自由无摩擦滑动(滑块和封装壳体之间的摩擦系数μ<0.05)。封装壳体采用金属材料或者有机玻璃等制成，要求材料满足：屈服强度σ1>100MPa，密度ρ1>1g/cm3，基本原则是封装壳体受到外部冲击作用时不产生塑性变形。热敏元件为圆形薄片，用于承受外部冲击载荷并传递瞬态高温场的热量。热敏元件的直径＝D1，厚度为t2，满足0.001m<t2<0.1m，厚度t2可依据实际测量需要进行调整，即瞬态高温场所携带的冲击越大，t2越大。例如当瞬态高温场所携带的冲击为爆炸冲击时，可调厚，防止在冲击下热敏元件产生塑性变形；热敏元件的左端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置，其特征在于基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置由封装壳体(1)、热敏元件(2)、记忆合金构件(3)、滑块(4)、固定底座(5)、活动螺栓(6)、螺丝(7)组成；定义靠近热敏元件(2)的一端为右端，定义远离热敏元件(2)的一端为左端；记忆合金构件(3)、滑块(4)位于封装壳体(1)内，热敏元件(2)通过螺丝(7)固定在封装壳体(1)右端，对封装壳体(1)右端面进行封装，固定底座(5)通过活动螺栓(6)固定在封装壳体(1)左端；热敏元件(2)、记忆合金构件(3)、滑块(4)同轴安装；记忆合金构件(3)的右端、左端均通过胶结剂分别与热敏元件(2)、滑块(4)连接；/n封装壳体(1)为圆筒型，外直径为D

【技术特征摘要】
1.一种基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置，其特征在于基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置由封装壳体(1)、热敏元件(2)、记忆合金构件(3)、滑块(4)、固定底座(5)、活动螺栓(6)、螺丝(7)组成；定义靠近热敏元件(2)的一端为右端，定义远离热敏元件(2)的一端为左端；记忆合金构件(3)、滑块(4)位于封装壳体(1)内，热敏元件(2)通过螺丝(7)固定在封装壳体(1)右端，对封装壳体(1)右端面进行封装，固定底座(5)通过活动螺栓(6)固定在封装壳体(1)左端；热敏元件(2)、记忆合金构件(3)、滑块(4)同轴安装；记忆合金构件(3)的右端、左端均通过胶结剂分别与热敏元件(2)、滑块(4)连接；
封装壳体(1)为圆筒型，外直径为D1，壁厚为t1，内直径d1满足d1＝D1-2t1，长度为L1；在封装壳体(1)右端面加工有4个螺丝孔，螺丝孔直径为φ1，用于插入螺丝(7)；封装壳体(1)内外壁均贴有隔热层；封装壳体(1)装载滑块(4)，滑块(4)在封装壳体(1)内自由无摩擦滑动；封装壳体(1)采用金属材料或者有机玻璃制成，要求封装壳体(1)受到外部冲击作用时不产生塑性变形；
热敏元件(2)为圆形薄片，用于承受外部冲击载荷并传递瞬态高温场的热量；热敏元件(2)的直径＝D1，厚度为t2，厚度t2要求满足在冲击下热敏元件(2)不产生塑性变形；热敏元件(2)的左端面加工有4个螺丝通孔，4个螺丝通孔的位置与封装壳体(1)右端面加工的4个螺丝孔的位置相对应；热敏元件(2)两端面平行且与封装壳体(1)中轴线垂直；热敏元件(2)采用硬质合金材料制成，材料满足热敏元件(2)在外部冲击作用下不产生塑性变形；热敏元件(2)通过螺丝(7)进行固定和拆卸；
记忆合金构件(3)为弹簧状，弹簧直径为D3，记忆合金构件(3)长度为L3；记忆合金构件(3)采用单程记忆合金制成，在受热时产生不可恢复的塑性变形，并且在轴向明显缩短；采用胶结剂将记忆合金构件(3)的两端分别与热敏元件(2)和滑块(4)连接在一起；
滑块(4)为圆形薄板，直径为d1，厚度为t4；滑块(4)左右端面贴有隔热层以减少滑块(4)两侧的热交换；滑块(4)两端面平行且与封装壳体(1)中轴线垂直，且滑块(4)外侧面光滑；滑块(4)采用合金材料制成；滑块(4)的端面上挖有第一泄气孔，第一泄气孔是通孔，均匀分布；
固定底座(5)为圆形薄板，直径为D5，厚度为t5；固定底座(5)采用硬质合金制成，要求固定底座(5)在外部冲击作用下不产生塑性变形；固定底座(5)通过活动螺栓(6)固定在封装壳体(1)的左端面；固定底座(5)上挖有第二泄气孔，第二泄气孔是通孔，均匀分布。


2.如权利要求1所述的基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置，其特征在于所述封装壳体(1)的外直径D1满足0.01m<D1<0.5m，壁厚t1满足0.001m<t1<0.2m，长度L1满足0.01m<L1<2m；封装壳体(1)右端面加工的4个螺丝孔中心距封装壳体(1)端面圆心距离r1满足r1＝(D1+d1)/4，螺丝孔直径φ1满足0.005m<φ1<t1，螺丝孔深度l1满足0.002m<l1<0.1m。


3.如权利要求1所述的基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置，其特征在于所述热敏元件(2)的厚度t2依据实际测量需要进行调整，即瞬态高温场所携带的冲击越大，t2越大；热敏元件(2)的左端面加工的4个螺丝通孔的直径＝φ1。


4.如权利要求3所述的基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置，其特征在于所述热敏元件(2)的厚度t2满足0.001m<t2<0.1m。


5.如权利要求1所述的基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置，其特征在于所述记忆合金构件(3)的弹簧直径D3满足0.01m<D3<d1，长度L3满足0.005m<L3<1m；弹簧的粗细即制备弹簧的金属丝直径d3满足0.01m<d3<0.001m，弹簧的圈数n3满足5<n3<50。


6.如权利要求1所述的基于记忆合金的瞬态高温场热通量测量装置，其特征在于所述滑块(4)的直径d1满足d1＝D1-2t1，厚度t4满足0.001m<t4<0.1m；滑块(4)和封装壳体(1)之间摩擦系数μ<0.05；滑块(4)的端面上挖的第一泄气孔总面积达到滑块(4)一个端面面积的2％～50％。

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【专利技术属性】
技术研发人员：林玉亮，祁子真，张玉武，彭永，陈荣，梁民族，李翔宇，卢芳云，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43