一种基于辐射测温的量热计制造技术

本发明专利技术属于热流测量传感器设备技术领域，针对现有技术中存在的热电偶节点焊接困难，焊接的引线使测量结果偏离实际情况，无法应用在高温电离环境下，且无法进行面测量的技术问题，本发明专利技术提供一种基于辐射测温的量热计，底座和基座连接，量热片设置在基座顶端，光电二极管的感光面设置在成像光学系统的像面上，二者相互适配对应安装在底座上；成像光学系统收集辐射信号，光电二极管将辐射信号转换为电信号，通过数据采集系统记录量热片温度的变化历程。辐射源与高温气流隔离，具有耐冲刷特性；辐射源及测量元器件与外部环境物理隔离，且量热片背面无需焊接引线，可应用于高温电离环境下，减小测量误差，既可以测量单点热流，也可开展面测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于辐射测温的量热计
本专利技术属于热流测量传感器设备
，具体涉及一种基于辐射测温的量热计。
技术介绍
高超声速飞行时气动热环境非常恶劣，需要采用合适的热防护措施。热防护方法和材料的选取依赖于地面风洞实验中的热流测量结果，风洞实验中采用的热流测量传感器主要有三种：薄膜电阻温度计、同轴热电偶和量热计。三种传感器各有优缺点和适应的测量环境，其中量热计通常用于大热流和强冲刷的环境。量热计采用量热片作为吸热元件，通过测量量热片内部温度的变化率计算所加载的热流。目前已发展的量热计根据量热片材料的类型采用了不同的测温方式。量热片采用铜、不锈钢等金属材质时利用热电偶测量内部温度。这种类型的量热计存在的主要问题是：热电偶节点焊接困难，大小难以保证一致，造成测量结果散差大，且无法应用在高温电离环境下。当利用金刚石等绝缘材料做量热片时，量热片内部温度利用薄膜电阻测量。这种方案能够提高量热计的测量灵敏度，但满足要求的绝缘材料甚少，且金刚石制作使用成本昂贵。此外，以上两种测温方式都需要在量热片上焊接引线，以实现将温度变化产生的电信号输出。引线的存在会造成额外的热量损失，使测量结果偏离实际情况。另外，传统的量热计都是测量单点热流值，无法进行面测量。
技术实现思路
针对现有技术中存在的热电偶节点焊接困难，大小难以保证一致，造成测量结果散差大，焊接引线造成额外的热量损失，使测量结果偏离实际情况，无法应用在高温电离环境下，且无法进行面测量的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于辐射测温的量热计。辐射源与高温气流隔离，具有耐冲刷特性；辐射源及测量元器件与外部环境物理隔离，且量热片背面无需焊接引线，可应用于高温电离环境下，减小测量误差，既可以测量单点热流，也可开展面测量。本专利技术采取的技术方案为：一种基于辐射测温的量热计，包括基座、底座、量热片、光电二极管、成像光学系统和传感器座，所述底座和基座连接安装形成支撑框架，量热片设置在基座顶端，所述光电二极管的感光面设置在成像光学系统的像面上，二者相互适配对应安装在底座上；所述透镜成像系统安装在底座内，传感器座通过螺纹与底座连接，同时压紧透镜成像系统，通过传感器座安装固定光电二极管，光电二极管安装在传感器座内，光电二极管的输出端与采集设备相连；通过成像光学系统收集辐射信号，通过光电二极管将辐射信号转换为电信号，通过采集设备记录量热片温度的变化历程。进一步的，还设置有辐射测温组件，辐射测温组件包括温敏漆涂层、激发光源、滤光片，所述激发光源设置在底座上，通过压圈与激发光源的底座螺纹连接固定；温敏漆涂层涂敷于量热片下方，所述滤光片嵌设在光电二极管和成像光学系统之间；所述成像光学系统收集温敏漆涂层的辐射信号，所述光电二极管将温敏漆涂层的辐射信号转换为电信号，通过采集设备的数据采集系统记录量热片温度的变化历程。进一步的，所述量热片设置为吸热元件，其材料和厚度根据所测量的热流强度和测试时间确定，主要考虑因素为：量热片选择不同材料制备而成，量热片前面温度不超过所选择材料的允许使用温度；量热片背面温度不超过温敏漆涂层的允许使用温度，量热片背面温度变化范围尽量大，变化范围越大测量灵敏度越高；量热片的响应时间小于测试时间。更进一步的，所述量热片前面温度、背面温度、响应时间按照式(6)、(7)、(8)计算：式中：Tf为量热片前面温度、Tb为量热片背面温度、tR为量热片响应时间、T0为量热片测量前初始温度、α为量热片材料热扩散系数、k为量热片材料热导率、l为量热片厚度、q为量热片前面加载热流，即所要测量的热流，qratio为量热片背面测得热流值与加载热流的比值，一般取0.99。进一步的，所述透镜成像系统安装在底座内，依次安装橡胶圈和滤光片，通过橡胶圈隔离透镜系统和滤光片；所述滤光片设置为窄带滤光片，其安装于透镜与光电二极管之间，滤光片中心波长及通带范围对应温敏漆辐射光波长，与温敏漆辐射光特性相匹配。进一步的，所述激发光源波长与温敏漆涂层相匹配，通过激发光源照射温敏漆涂层产生辐射，所述温敏漆涂层的辐射强度随温度的升高而降低，利用光致发光的热猝灭效应测量量热片温度的变化。进一步的，还设置有压圈a和压圈b，压圈a和压圈b的中间均设置有通孔，通过通孔走线，压圈a和压圈b的端面设置卡槽，通过卡槽安装；压圈a和压圈b的外壁设置有外螺纹，压圈a通过外螺纹与激发光源的底座螺纹连接固定；压圈b通过外螺纹与传感器座螺纹连接固定。进一步的，所述底座和基座采用热传导率小的绝缘材料制备而成，避免传感器周边传热对测量结果的影响，进一步增强高温电离环境下的适应性。更为具体的是，基座采用热扩散系数低的材料制作而成，基座与量热片之间通过高温胶粘接，通过基座固定量热片并与底座相连接；底座采用绝缘材料制作而成，底座与基座之间通过螺纹连接，底座内表面设置为倾斜面，控制激发光源的照射范围和成像光学系统的成像范围相对重合，使激发光源照射区域和透镜成像区域尽可能多的重合；通过底座固定激发光源、滤光片、光电二极管等器件。进一步的，所述底座的底部依次设置有倾斜面a、水平面、倾斜面b，倾斜面a和倾斜面b呈对称式设置在水平面的两侧，通过倾斜面a和倾斜面b安装激发光源，通过水平面安装成像光学系统。进一步的，适用于利用自发红外辐射测量温度，通过底座控制光电二极管和成像光学系统呈正对式安装且无倾角。本专利技术的有益效果为：本专利提出了一种基于辐射测温的量热计，其是利用辐射特性测量量热片温度的变化。主要优点是：1)辐射源在量热片背面，与高温气流隔离，具有耐冲刷特性；2)量热片材质既可以是金属也可以是非金属；3)辐射源及测量元器件与外部环境物理隔离，且量热片背面无需焊接引线，可应用于高温电离环境下；4)利用辐射特性测量温度，避免了在量热片上焊接引线造成的热量损失，减小了测量误差。5)传统的量热计都是测量单点热流值，基于本专利的测量原理既可以测量单点热流，也可开展面测量(即同时测量整个表面的热流分布)。附图说明图1是自发辐射状态下的量热计构成示意图；图2是受激辐射状态下的量热计构成示意图；图3是本专利技术中的底座的结构示意图；图4是某工况下获得的量热片背面各位置温度的变化历程；图5是测量量热片线性变化热流结果(qIn为量热片前面加载热流，qb为量热片背面测得热流)；图6是测量量热片阶跃变化热流结果(qIn为量热片前面加载热流，qb为量热片背面测得热流)；图7是测量量热片局部凸起热流结果(qIn为量热片前面加载热流，qb为量热片背面测得热流)；其中，1、温敏漆涂层；2、量热片；3、基座；4、底座；4-1、倾斜面a；4-2、水平面；4-3、倾斜面b；5、透镜成像系统；6、橡胶圈；7、滤光片；8、传感器座；9、光电二级管；10、压圈a；11、压圈b；12、激发光源。具体实施方式下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于辐射测温的量热计，其特征在于，包括基座、底座、量热片、光电二极管、成像光学系统和传感器座，/n所述底座和基座连接安装形成支撑框架，量热片设置在基座顶端，所述透镜成像系统安装在底座内，传感器座通过螺纹与底座连接，同时压紧透镜成像系统，通过传感器座安装固定光电二极管，光电二极管安装在传感器座内，光电二极管的输出端与采集设备相连；/n通过成像光学系统收集辐射信号，通过光电二极管将辐射信号转换为电信号，通过采集设备记录量热片温度的变化历程。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于辐射测温的量热计，其特征在于，包括基座、底座、量热片、光电二极管、成像光学系统和传感器座，
所述底座和基座连接安装形成支撑框架，量热片设置在基座顶端，所述透镜成像系统安装在底座内，传感器座通过螺纹与底座连接，同时压紧透镜成像系统，通过传感器座安装固定光电二极管，光电二极管安装在传感器座内，光电二极管的输出端与采集设备相连；
通过成像光学系统收集辐射信号，通过光电二极管将辐射信号转换为电信号，通过采集设备记录量热片温度的变化历程。


2.根据权利要求1所述一种基于辐射测温的量热计，其特征在于，还设置有辐射测温组件，辐射测温组件包括温敏漆涂层、激发光源、滤光片，
所述激发光源设置在底座上，通过压圈与激发光源的底座螺纹连接固定；温敏漆涂层涂敷于量热片下方，所述滤光片嵌设在光电二极管和成像光学系统之间；
所述成像光学系统收集温敏漆涂层的辐射信号，所述光电二极管将温敏漆涂层的辐射信号转换为电信号，通过采集设备的数据采集系统记录量热片温度的变化历程。


3.根据权利要求1或2所述一种基于辐射测温的量热计，其特征在于，所述量热片设置为吸热元件，其材料和厚度根据所测量的热流强度和测试时间确定，主要考虑因素为：量热片选择不同材料制备而成，量热片前面温度不超过所选择材料的允许使用温度；量热片背面温度不超过温敏漆涂层的允许使用温度；量热片的响应时间小于测试时间。


4.根据权利要求3所述一种基于辐射测温的量热计，其特征在于，所述量热片前面温度、背面温度、响应时间按照式(6)、(7)、(8)计算：









式中：Tf为量热片前面温度、Tb为量热片背面温度、tR为量热片响应时间、T0为量热片测量前初始温度、α为量热片材料热扩散系数、k为量热片材料热导率、l为量热片厚度、q为量...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑朝凯，姜宗林，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11