盲孔测温传感器瞬态温度测试研究

任先贞，裴东兴，沈大伟

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051;

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051)

盲孔测温传感器瞬态温度测试研究

任先贞1，2，裴东兴1，2，沈大伟1，2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051;

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051)

目前炮膛内壁瞬态温度具有温度高、变化快、测试环境恶劣等特点，不便于准确测量，普遍采用动态校准方法来减少瞬态温度的误差，但是该方法对仪器动态性能要求高。该文根据测试系统原理，利用盲孔测温传感器验证炮膛内壁瞬态温度的变化，采用非接触式测量瞬态温度，同时利用分析法外推技术对0.05 cm和0.1 cm处的温度进行推导。实验表明:在误差允许的范围内，0.05 cm和0.1 cm处的温度与实验测得的温度变化一致。论证该系统对炮膛内壁瞬态温度测量的可行性，可以完成在恶劣环境下的数据测量，并且该系统成本低，数据可靠，结构简单，对今后更加深入地研究膛内壁瞬态温度有参考价值。

盲孔测温传感器;瞬态温度;非接触式测量;分析法外推技术

0 引言

研究瞬态温度的变化对炮膛的使用寿命，腐蚀磨损等方面都有密切的关系。炮膛内壁的温度测量属于瞬态温度的范畴［1］，它随时间的变化而快速发生变化。在发射过程中，膛内火药气体具有高温、高压，并带有化学反应等诸多特点，同时瞬态温度热变化也十分快速、剧烈，一般在瞬时时间内就可以实现。表1是根据近几年的研究给出的参考数据［2］。

表1 不同炮膛身管的比较

在研究过程中，影响炮管的烧蚀寿命有许多方面，其中大体包括在燃烧中产生的化学反应、在发射过程中热量的影响［3］。因此利用盲孔测温传感器对膛内温度进行测量比较。目前国内测试炮膛内瞬态温度多用于热电阻作为敏感元件，但是其可靠性差、成本高，在高温、高压的情况下测量数据不够准确，对盲孔测温传感器的研究相对较少。针对以上问题，在炮膛内壁安装盲孔测温传感器，其体积小、耐高温，可以满足在高温高压下对瞬态温度的研究。同时用分析法外推技术，对炮膛内的温度值进行推算，反映出温度的变化，对研究炮膛的使用寿命和腐蚀磨损都有重要的参考价值。

1 系统原理

1.1 测试思路

炮膛内壁温度具有瞬时性，测量难度大［4］，主要有以下3个因素:

1)炮膛内壁较厚，传感器接触不到壁内，无法测出准确的壁内温度;

2)在0.05 cm和0.1 cm处计算壁内温度，对传感器的要求较高;

3)两个测点内测得的温度可靠性有待考证。

针对以上问题，设计了在该测试环境下的专用温度传感器［5］——盲孔测温传感器:

1)首先解决了传感器的体积问题，设计该传感器的接触面直径为0.1 cm，与凹槽为面接触，采用分析法外推技术，可以准确计算出壁内温度。

2)为了减小误差，在选择所测温度距壁内距离时，尽可能地不破坏壁内温度场的结构，所以选用与传感器接触面一致的距离即0.1 cm。

3)为了验证试验的准确性及传感器的实用性，利用分析法外推技术计算外推点处的温度，将其与试验测得的温度进行比较。

1.2 盲孔测温传感器原理

盲孔测温传感器内部是由不同薄膜材质的导体两端连接而成，系统设计的传感器体积小，其中A的直径为1 cm，c1的直径为0.1 cm，c为引脚，如图1所示。盲孔测温传感器实际上是一种能量转换器，可以将热能转换成电能，通过产生的热电势来测量膛内壁的温度。

图1 盲孔测温传感器示意图

盲孔传感器的测量温度范围为0～2 500℃，精度为所测量的温度±1%，耐压能力为400 MPa。同时查阅文献资料可知，弹丸在爆炸过程中最高温度≥1 500℃，同时其爆轰时间是毫秒级［6］。盲孔测温传感器主要原理是利用弹丸在炮膛内的瞬态温度变化，使传感器内部的薄膜材质感受到炮膛内的温度变化，通过两端产生的热电势来测量出瞬态温度值。盲孔测温传感器优点:1)温度测量范围宽:在射击过程中，膛壁的温度可达1500℃以上［3］;2)在发射过程中，可以承受高温、高压和较强的抗腐蚀性;3)体积小，封装厚度小，稳定性好;4)响应速度快，动态性能好，热容量小。根据以上优点及分析，选用盲孔测温传感器来测试炮膛内壁温度的变化。

1.3 测试系统结构

根据瞬态温度的不稳定性、瞬变性，设计利用盲孔测温传感器对其瞬态温度进行测量，通过电势差的变化可以反映出瞬态温度的变化。将盲孔传感器安装在膛壁表面处，为保证试验的准确性和可实用性，在离膛壁H2处安装一个外推点传感器。

测试系统主要由测温传感器、信号调理电路、模数转换电路、存储器、电路控制模块、电源管理模块、电池和上位机接口电路等组成，原理框图如图2所示。信号调理电路将测温传感器输出的电压信号进行放大滤波处理后，为后续模数转换器采样转换，存储器主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高度、自动地完成程序或数据的存取，将测得的温度值显示在计算机上。

图2 测试系统的原理框图

1.4 测试原理

目前，盲孔测温传感器已经应用于多个领域，常用于密闭爆发器等专用仪器［4］;在研究火炮烧蚀机理中，也可以测得身管的膛内壁温度［5］。

该测试系统利用盲孔测温传感器，测试装置如图3所示。通过开关K给火药所需的电流，推动点火塞A点燃点火药B，然后使火药C燃烧，其内壁温度的值通过盲孔测温传感器E，将其放入炮膛内壁中来测量膛壁内的温度，测量记录到瞬态测试记录仪上，同时在验证点处传感器D也进行数据的测量与记录。由于传感器输出的热电势很小，用瞬态测试仪无法记录其电压信号，因此采用直流放大器将电压信号放大，然后外接一个多通道瞬态测试仪，通过瞬态记录仪将信号存储，K为所需开关。通过装置1和2的连接可以得到其电压随时间的变化情况，同时通过装置2也可得到温度随时间的变化。

图3 试验装置示意图

1.5 测试系统可靠性研究

该测试系统可靠性分析的方法是基于电子元器件的失效机理分析，通过分析，便可以建立测试系统的可靠性模型，从而对测试系统进行可靠性预测与分析。根据相关公式对系统中各部分可靠性的计算，得出系统设备的可靠度为99.16%，完全满足测试系统要求。

2 分析法外推技术

为了验证试验的准确性，在外推点处放置一个热电偶传感器。热电偶传感器的作用是为了验证试验结果的准确性，并用分析法外推技术［7］，将各个时刻的温度进行推算。

该系统利用热电偶传感器测量离膛面内壁一定距离的温度，然后利用外推法［8］，推算出膛面内壁各个时刻的温度，以降低测试过程对仪器的高动态性要求［4］。

在炮膛射击过程中，膛壁温度一般达到1 500℃以上，并且火药在膛内燃烧时间短，同时传感器处在耐高温、高压、强腐蚀性的恶劣环境，所以对测温传感器和外推点处的传感器的精度和可靠性要求很高。同时也考虑到膛壁内瞬态温度与传感器测得的温度有一定的误差，将其简化成传热学中的半无限大平板导热模型［4］，图4为表面温度测试外推模型，外推法需要在炮膛壁内开一个凹槽，将外推点处的热电偶传感器放入凹槽内。但是在这种情况下，由于传热学原理，炮膛内的温度将发生畸变。为了使结果更加准确，尽可能地减小误差的结果，传感器各部分材料的热物性选取应尽可能和炮管材料相近。当内壁温度即模型中待测面Td(τ)发生变化时，根据物体的导热性，外推点Hw在一定的时间后其温度也会发生变化，其与内壁温度变化符合物体热传导定律。由于炮膛内壁的温度具有瞬时性，因此将该过程的变化近似看做一维半无限大平板导热模型，则在该待测面Td(τ)及外推点处Hw之间的温度变化规律可用直角坐标系下的一维不稳态导热微分方程及其相应的初始条件和边界条件所表示［9］。

图4 外推法传热模型

式中:α——热扩散率，可随温度变化;

T0——初始温度;

L——膛壁身管壁厚;

Tw(t)——试验测得的Hw等温面的温度随时间的变化规律。

外推法分为隐式差分外推法、显式差分外推法、差分逼近外推法等［3］。该测试系统分析中，采用导数的差分公式的逼近来替代任意x=x0，t=t0处的热偏微分方程［10］。其中:

在任意x=x0，t=t0处可将热传导方程转化为

其中，E为截断误差:

当Δt、Δx足够小时，截断误差E趋于0，所以:

整理得:

通过以上公式，可以推导出各时刻点的温度值，与盲孔测温传感器所测出的点进行比较验证。分析法外推技术［11］所选取的测温点，是作为一个基准值，利用公式将其计算的数值无限逼近于炮管内壁的距离后，得出其温度值就可以近似于炮管内的瞬态温度值。

3 数据处理结果

为了使试验数据更加准确可靠，共进行了5次发射。其中对2发数据进行比较，如图5和图6所示。

第1发弹丸压力与时间变化如图5(a)所示，温度和时间变化如图5(b)所示，弹丸质量为45.3 kg。

图5 第1发弹丸压力、温度统计图

第2发弹丸压力与时间变化如图6(a)所示，温度和时间变化如图6(b)所示，弹丸质量为45.5 kg。

图6 第2发弹丸压力、温度变化图

以上数据是通过测得在炮膛内同一距离下的温度随时间的变化，从上述结果中可以看出，在0.95s时，温度达到最高值1 806℃，当弹丸出炮口后，膛内壁温度逐渐下降。通过对第1发数据进行计算，计算出0.05，0.1 cm下不同时刻的膛内瞬态温度的变化过程。选用这两个距离是因为传感器接触面的位置为0.1 cm处，而0.05 cm是其1/2处，可以通过在其周围放入与炮管材料相同的填充材料，同时不影响膛内的温度场变化，减小误差，如图7所示。

图7 炮膛内壁温度在不同距离下温度变化曲线

从上图可以看出，外推点处的温度与盲孔测温传感器测得的温度变化大致相同，但也存在一些误差，其原因分析如下:

首先在炮管内开一个凹槽放置传感器，本身造成了温度场的变化。其次，在二者之间有一定的距离，在传热过程中温度会改变。最后，在本次试验验证中利用的是半无限大平板导热，而在实际情况中并不是在理想的环境。

同时利用外推法计算出不同距离下温度的变化曲线，从图上也可以看出0.05 cm和0.10 cm处曲线是近似相同的，经计算，其误差分别为2.1%和1.9%在误差允许的范围内，其结果与试验所测得的数据一致。

4 结束语

通过对膛内瞬态温度的测试，验证了盲孔测温传感器对瞬态温度的研究，同时利用分析法外推技术对膛内温度进行推算，试验表明，在误差允许的范围内，该测试系统测得的温度值与推导得出的温度值基本接近，论证了该系统对炮膛内壁的瞬态温度的测量的可行性，可以完成在恶劣环境下的数据测量，并且该系统成本低，对今后更加深入地了解膛内壁瞬态温度的研究有重要的参考价值。

［1］李杰，余永刚，周彦煌.枪(炮)膛内壁温度间接测量方法研究［J］.弹道学报，2005.9(3):36－39.

［2］王靖军，赫信鹏.火炮概论［M］.北京:兵器工业出版社，1992:53－59.

［3］李杰.炮膛内壁瞬态温度测试技术研究［D］.南京:南京理工大学，2004.

［4］黄凤良，余永刚.爆发器内壁温度的测试［J］.西安交通大学学报，2004，38(2):200－203.

［5］王普法，官汉章.膛壁盲孔测温技术在内弹道测试中的应用［J］.弹道学报，1991(3):7－11.

［6］王飞跃.热电偶传感器信号调理与数字采集系统的设计［D］.太原:中北大学，2013.

［7］IMBER M.A temperature extrapolation method for hollow cylinder［J］.AIAA Journal，1973，11(1):117－118.

［8］CHEN C J，THOMSENT D M.On transient cylindrical surface heat flux predicted frominteriortemperature response［J］.AIAA Journal，1975，13(5):697－699.

［9］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，1998:37－41.

［10］贾晓雯，郝晓剑，周汉昌.有限差分逼近法的瞬态高温外推实验研究［J］.电子测试，2011，2(2):21－25.

［11］黄风良，夏春梅，周彦煌，等.温度测试的外推方法［J］.计量学报，2003，2(24):116－118.

(编辑:李妮)

Testing of transient temperature based on temperature sensors blind hole

REN Xianzhen1，2，PEI Dongxing1，2，SHEN Dawei1，2
(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory for Instrumentation Science＆Dynamic Measurement of Minstry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Aiming at the inner wall of the bore having a high temperature transient temperature changes fast，harsh test environment and other characteristics，not easy to accurately measure，commonly used dynamic calibration methods to reduce the transient temperature error，but this method requires high dynamic performance instrument.On the basis of this paper according to the principle of test system，the use of temperature sensors to verify the blind hole bore inner wall transient temperature changes，the use of non－contact measurement of transient temperature，while taking advantage of technical analysis extrapolated temperature at 0.05 cm and 0.1 cm derivation.The experimental results show that the temperature of 0.1 cm and 0.05 cm is consistent with the experimental temperature variation in the range of error allowed.Demonstrated the feasibility of the system on the inner wall of the bore of transient temperature measurement，data measurement in harsh environments，and the cost of the system is low，data is reliable，simple structure，for the future more in－depth research chamber wall transient temperature has important reference value.

blindtemperaturesensor;transienttemperatureanalysis;non－contactmeasurement; extrapolation technique

A

1674－5124(2016)11－0084－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.018

2016－03－13;

2016－05－20

任先贞(1991－)，女，山西阳泉市人，硕士研究生，专业方向为控制工程。