高速温度传感器的动态响应特性理论分析研究

摘要

国防军工、航空航天等领域近年来的蓬勃发展对温度的检测速度提出了很高要求，国内外也发展出了对应的小尺寸高速温度传感器，然而当制造出高速温度传感器以后，采用传统的实验方法难以对其动态响应性能进行科学客观的评价，这在一定程度上阻碍了高速测温技术的发展。本论文针对温度传感器动态响应特性及现有测试方法进行了系统分析，指出现有实验测试方法存在原理上的测不准问题，并根据动态响应的基本概念出发，考虑传感器工作过程中的传热过程，提出一套新的高速温度传感器动态响应的理论分析方法与实验测试原理。通过建立细长形态的小尺寸高速温度传感器的频域响应模型，对此模型下各参数如何影响传感器动态响应能力的机理进行了分析。　　高速温度传感器的动态响应特性理论分析研究表明：①现有实验测试方法对同一只温度传感器的时间常数测试结果差异巨大，主要原因在于实验测试过程中无法产生理想的温度阶跃信号。②采用时间常数?难以真实反映现有高速温度传感器的动态响应性能，因为温度传感器的时间常数?基于零维集总参数模型，对于小尺寸的高速温度传感器而言，此模型难以适用。③采用温度传递的频率响应能更客观地对温度传感器地动态响应能力进行衡量，且按照此原理设计的测试实验中，正弦变化的温度信号相较于阶跃变化的温度更容易产生，实验误差更小。　　对温度传感器感温过程进行物理建模后分析得出：对于细长形态的小尺寸温度传感器，其动态响应能力不仅受到传感器物性参数、传感器边界对流传热系数的影响，更受到温度传感器长度的影响，传感器越长，其内部导热能力越差，从传热界面输入的热量越难以在传感器内部进行输运，进而导致了界面处的温度堆积，温度传感器的动态响应性能下降。同时，传感器不同位置处的动态响应能力也不一致，越远离传热界面的位置动态响应性能就越差，最远离热源的位置成了温度传感器整体动态响应短板，最终决定了传感器的动态响应性能。因此在高速温度传感器的设计中，必须对传感器的几何形态以及尺寸加以控制，才能在理论上保证其良好的动态响应性能。

目录

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2温度传感器动态响应测试原理

1.3温度传感器动态响应实验测试方法

1.3.1水浴法

1.3.2火焰法

1.3.3热风洞法

1.3.4激波管法

1.3.5激光加热法

1.4现有测试技术问题分析

1.5课题研究的主要内容

2温度传感器感温过程分析

2.1.1热源类型

2.1.2温度阶跃速度

2.1.3减小误差的可能解决方案分析

2.2频域分析法与一阶系统

2.3温度传感器感温基础原理

2.4零维集总参数模型推导

2.5零维集总参数模型的适用性

2.6本章小结

3.温度传感器动态响应物理建模

3.1新动态响应理论建模基础

3.2动态响应过程传热模型与分析

3.3动态响应时域模型

3.4动态响应频域模型

3.5本章小结

4.仿真验证与影响因素分析

4.1.1仿真程序设计及步骤优化

4.1.2数值仿真结果分析

4.2.1几何模型的建立及材料属性设置

4.2.2网格划分及边界条件设置

4.2.3有限元仿真结果及分析

4.3温度传感器动态响应模型的影响因素分析

4.3.1传感器自身材料物性参数对模型的影响分析

4.3.2边界处传热系数对模型的影响分析

4.3.3传感器长度对模型的影响分析

4.3.4初始温度对模型的影响分析

4.4本章小结

5.总结及展望

5.1论文主要工作

5.2论文创新点

5.3存在的问题

5.4对后续工作的建议

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢