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蓝宝石光纤黑体腔温度传感器外推测试技术研究

作　者: 王瑞
导　师: 郝晓剑
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 外推法黑体腔瞬态高温蓝宝石光纤温度传感器
分类号: TH811
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 173次
引　用: 4次
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内容摘要

温度在科研和生产中是一个十分重要的物理量。在航空、航天发动机、核爆和化爆试验测试中,有许多研究对象需要测量的是幅值高,变化快的瞬态高温,测量条件非常恶劣,技术难度很高,特别是在许多场合试验成本很高,对系统的可靠性和数据的捕获率有很高的要求。这种特殊环境下的温度测试,目前尚无成熟的技术。利用基于普朗克黑体辐射定律的蓝宝石黑体腔光纤传感器是测量这类温度的有效方法。但传感器的温度测量上限受限于蓝宝石熔点,为了拓宽瞬态温度测量范围,必须要有相应的测试理论与技术措施。外推法目的就是为了解决这个问题。采用外推方法后,仪器只要记录下黑体腔内部幅度较低、变化较慢的温度,然后用外推方法外推出表面测试点的温度,即为要测试的瞬态高温。通过分析蓝宝石光纤黑体腔的导热规律建立瞬态受热的黑体腔外推模型,利用分析外推法、分离变量法和有限差分法三种方法对外推模型进行求解,从求解难易程度、可行性、精确性等方面分析比较了此三种方法。黑体腔外推模型建立及求解以后,对模型的可靠性和精准度的确定是首要问题。模型的好坏可以通过两方面来验证,首先在实验室进行验证性实测,通过对外推结果和黑体腔表面实际温度的比较来分析模型的可靠性。然后利用有限元分析软件ANSYS在计算机上进行黑体腔的瞬态传热仿真分析,得出黑体腔在瞬态高温下的传热过程,记录其仿真结果,从而实现了对外推模型的反面验证。通过比较两方面的一致程度对模型的准确性进行评估。在本文的实验验证中经外推法计算得到的黑体腔表面温度和红外测温仪测得的表面温度一致性较好,结果较理想。同时在ANSYS仿真中也验证了这一点。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 概述  10-11
  1.2 论文的背景、目的及意义  11
    1.2.1 研究背景  11
    1.2.2 研究目的及意义  11
  1.3 国内外技术发展现状  11-18
    1.3.1 瞬态高温测量的国内外研究现状  11-16
    1.3.2 温度外推测试的国内外研究现状  16-18
  1.4 本论文主要的工作  18-19
第2章蓝宝石光纤黑体腔温度测试原理  19-31
  2.1 普朗克黑体辐射定律  19-22
  2.2 传感器探头的理论基础  22-26
    2.2.1 黑体腔  22-24
    2.2.2 黑体探头的温度响应特性  24-26
  2.3 瞬态高温测量系统  26-31
    2.3.1 测量系统概述  26-29
    2.3.2 温度测量光电放大器  29-31
第3章外推法测量瞬态超高温  31-36
  3.1 外推法思想概述  31
  3.2 蓝宝石光纤黑体腔瞬态超高温测试的外推方法  31-32
  3.3 模型的建立及分析  32-36
    3.3.1 瞬态加热传热模型的假设  32-33
    3.3.2 建模  33-34
    3.3.3 模型分析  34-36
第4章外推模型求解方法的研究  36-48
  4.1 热传导方程的分析求解  36-38
  4.2 分离变量法  38-43
    4.2.1 定解条件  38-39
    4.2.2 分离变量法求解外推模型  39-43
  4.3 有限差分求解法  43-47
    4.3.1 基本思想  43-44
    4.3.2 基于导数的偏差分方程的建立  44-46
    4.3.3 计算偏差分方程  46
    4.3.4 有限差分外推法的局限性  46-47
  4.4 本章小结  47-48
第5章外推方法的实验验证  48-64
  5.1 实验方案  48
  5.2 CO_2激光器输出功率特性实验及分析  48-52
    5.2.1 CO_2激光器及其控制原理  48-49
    5.2.2 CO_2激光器输出功率特性实验  49-52
  5.3 Modline5 红外测温仪  52-53
  5.4 实验方案可行性分析  53-55
    5.4.1 CO_2激光器产生的瞬态高温  53-54
    5.4.2 红外测温仪的测试精确度  54-55
  5.5 实验结果分析  55-58
  5.6 黑体腔瞬态受热仿真  58-63
    5.6.1 仿真意义  58-59
    5.6.2 ANSYS（有限元分析）软件的概述  59-60
    5.6.3 问题描述及分析  60-61
    5.6.4 热分析仿真基本步骤  61
    5.6.5 瞬态热分析中载荷步  61-62
    5.6.6 仿真结果  62-63
  5.7 本章小结  63-64
第6章影响外推法瞬态高温测试精度的因素分析  64-69
  6.1 建模过程中影响因素的引入  64-65
  6.2 分离变量法求解过程中影响因素的讨论  65-66
  6.3 分析法求解过程中影响因素的引入  66-68
  6.4 其他影响因素的分析  68-69
第7章结论与展望  69-71
  7.1 结论  69-70
  7.2 本文的创新性  70
  7.3 展望  70-71
参考文献  71-76
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果  76-77
致谢  77

蓝宝石光纤黑体腔温度传感器外推测试技术研究

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