[發明專利]一種嵌入式熱流傳感器測量誤差的修正方法

有效

• 申請號: 201911265216.X
• 申請日: 2019-12-11
• 公開（公告）號: CN111024270B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 邱云龍;陳偉芳;吳昌聚;胡文杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01K19/00
• 分類號: G01K19/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了一種嵌入式熱流傳感器測量誤差的修正方法，包括以下步驟：S1、使用熱電偶測量得到熱流傳感器與周圍防熱材料的表面溫度；S2、計算冷點溫差系數；S3、根據預測公式計算測量熱流當地值與真實熱流當地值的比值；S4、基于當地熱流比的計算結果，在嵌入式熱流傳感器的測量表面區域內作面積加權平均，獲得平均熱流比；S5、根據平均熱流比對測量熱流值作出修正，得到真實熱流值。與現有的技術相比，本發明的嵌入式熱流傳感器測量誤差的修正方法僅需要來流總溫、熱流傳感器表面溫度、周圍防熱材料表面溫度與測點位置四個參數，即可對嵌入式熱流傳感器的測量誤差作出修正，需要的參數少且容易獲得，因此具有通用性較強、適用范圍較廣等優點。

技術領域

本發明涉及熱流傳感器技術領域，尤其涉及一種嵌入式熱流傳感器測量誤差的修正方法。

背景技術

高超聲速飛行器在大氣層內飛行時其表面承受不同程度的氣動加熱，其熱防護系統是飛行成敗的決定性因素。準確把握氣動加熱的能量傳輸過程、掌握成熟的熱流測量技術是有效開展熱防護設計、確保飛行安全的必由之路。

高超聲速飛行器熱流測量技術可分為兩大類，即內置式和嵌入式。內置式通常指使用熱電偶等溫度儀表直接測量防熱層內部溫度歷程，計算表面熱流。嵌入式在防熱層內部開孔至表面，插入獨立的熱流傳感器與外流場直接接觸，傳感器輸出溫度信號用以求解表面熱流，某些設備可直接輸出熱流信號。早期的高超聲速飛行器測熱技術通常以內置式技術為主，而隨后在更高飛行熱載荷的需求推動下，燒蝕防熱機制的興起及各類復合材料的廣泛使用，使得氣動熱與防熱結構的換能過程出現熱解、燒蝕和剝蝕等諸多復雜因素，于是飛行試驗逐步采用嵌入式熱流測量技術。然而，由于金屬傳感器的熱沉特性(指器件溫度不隨接收到的熱能的大小變化)導致其溫度遠低于周圍防熱材料，嵌入式熱流測量技術通常會產生冷點效應。

冷點效應現象包含兩個層面：

一、材料學層面，其表現為傳感器材料與防熱材料熱導率不同導致飛行器壁面瞬態熱響應存在局部差異，形成溫差。具體解釋如下：高超聲速飛行器外表面采用的是復合型防熱材料，這種類型的材料熱導率較低，在氣動加熱情形下，材料內外會形成較大的溫度梯度，表面材料溫度上升的速度較快、幅度較大。而飛行試驗中常采用的同軸型銅—康銅熱電偶傳感器，其使用的是金屬材料，具有導熱快、熱沉大、溫升慢等特點。因此，在遭遇氣動加熱時，傳感器表面和當地防熱材料之間會出現較大的溫度差。

二、流體力學層面，其表現為局部溫度差異將原先的可壓縮起始加熱問題轉變為可壓縮非起始加熱問題，此時溫度邊界層構型發生顯著變化，熱流傳感器附近的熱流分布受到顯著影響，導致傳感器測量得到的熱流分布與實際值之間存在一定的差異。

發明內容

為了彌補上述嵌入式熱流傳感器在測量高超聲速飛行器表面熱流時的固有缺陷，本發明提供了一種嵌入式熱流傳感器測量誤差的修正方法。

一種嵌入式熱流傳感器測量誤差的修正方法，包括以下步驟：

S1、使用熱電偶測量得到熱流傳感器與周圍防熱材料的表面溫度；

S2、計算冷點溫差系數；

S3、根據預測公式計算測量熱流當地值與真實熱流當地值的比值κ；

S4、基于當地熱流比κ的計算結果，在嵌入式熱流傳感器的測量表面區域內作面積加權平均，得到熱流傳感器測量表面的平均熱流比κ_m；

S5、根據S4中計算得到的平均熱流比κ_m對測量得到的熱流值Q_hc作出修正，得到真實、有效的熱流值Q_h。

優選的，所述的嵌入式熱流傳感器測量誤差的修正方法，包括以下步驟：

S1、使用熱電偶測量得到熱流傳感器與周圍防熱材料的表面溫度；