基于CO2激光器和离轴抛物反射面的温度传感器动态校准技术的研究

论文摘要

可溯源温度传感器动态校准的原理是利用准连续的激光使传感器表面产生温升,将辐射温度计和被校准的传感器同时对热源进行测量。动态校准的原理现在广泛用于热工设备、动力机械、火箭发动机、核能工程等多种学科领域中。研究瞬态表面高温传感器动态校准的目的是,利用可溯源的、快速变化的温度信号,检测各温度传感器的动态响应时间等特性,并对测温的结果进行修正,使它最后的数据结果更加接近于真实的温度信号曲线,从而来达到减少动态响应误差的目的。针对目前瞬态表面动态校准系统中激光光斑的大小不可调:如果被校传感器探头上的激光光斑太小,则传感器受热不均匀,会产生很大误差,校准结果不准确,如果光斑太大,虽然受热均匀,但系统响应时间增大,同样造成校准结果不准确。这样就不能保证传感器或微结构被均匀加热。使用示波器采集数据采集长度太小,速率太低等存在的弊端,本论文提出了基于离轴抛物反射面的瞬态表面温度校准系统,其原理是先用平面镜将激光反射至离轴抛物面镜子表面,再由此镜聚焦激光光束,相比使用单透镜而言,消除了热透镜效应和球面像差,简化了原光路系统,同时可以获得质量较好的光斑,对焦点的光斑形状也比较宽容,可以通过改变焦距的大小从而改变光斑及其峰值功率的大小,使调节更加简便易行,并用ZEMAX软件对其进行仿真。在数采系统中使用了4通道数据采集卡,可以同时对红外探测器、热电偶温度传感器测量,使采集速率更高,控制更加灵活。对新设计的基于离轴抛物面的瞬态校准系统进行了时间常数的测试实验,通过实验验证了系统设计的可行性。根据对整个系统的布局,对屏蔽罩箱体和离轴抛物反射面安装底座进行设计,使屏蔽罩箱体双侧可以同时打开,于放置红外探测器的一侧设计为推拉式打开方式,使探测器位置调整更加方便。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 传感器
• 1.2.1 传感器的静态特性
• 1.2.2 传感器的动态特性
• 1.3 传感器的标定与校准
• 1.4 论文主要工作
• 2 表面温度传感器及其校准
• 2.1 温度传感器概述
• 2.2 温度的测量
• 2.3 热电偶温度传感器的校准方法
• 2.4 表面温度传感器的校准
• 2.5 本章小结
• 3 瞬态表面温度传感器动态校准系统
• 3.1 国内外研究现状
• 3.2 可溯源瞬态表面温度传感器动态校准系统
• 3.3 本章小结
• 4 基于离轴抛物反射面的瞬态表面温度传感器动态校准系统的设计
• 4.1 数据采集系统在瞬态表面温度传感器动态校准系统中的应用
• 4.1.1 工作原理示意图
• 4.1.2 数据采集卡PCB平面图
• 4.1.3 A/D转换过程介绍
• 4.1.4 正、负延时介绍
• 4.2 离轴抛物反射镜的应用
• 4.2.1 对90°的离轴抛物面进行光路追迹
• 4.2.2 离轴抛物面光强与入射角之间的关系
• 4.2.3 Zemax对离轴抛物系统的仿真
• 4.3 高频调制解调激光器
• 2激光器中的吸收效应'>4.3.1 C0₂激光器中的吸收效应
• 4.3.2 硒化锌（ZnSe）
• 4.4 热电制冷型碲镉汞红外探测器
• 4.5 屏蔽罩的设计
• 4.6 本章小结
• 5 热电偶温度传感器动态校准实验研究
• 5.1 热电偶温度传感器的校准方法
• 5.1.1 热电偶温度传感器的静态校准方法
• 5.1.2 热电偶温度传感器的动态校准方法
• 5.2 热电偶温度传感器动态特性实验研究
• 5.2.1 热电偶温度传感器的时间常数
• 5.2.2 热电偶温度传感器时间常数测试实验及分析
• 5.2.3 系统的静态校准
• 5.2.4 原系统CHAL-010 型热电偶的动态校准
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 需要进一步开展的工作
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢