基于热缩片的瞬态温度场热通量测试装置及方法

本发明属于测量检测领域，具体涉及一种瞬态温度场热通量测量的测试装置，是一种利用热缩片变形特性对瞬态温度场热通量进行测量的无源测试装置。

背景技术：

1、目前，随着科学技术的发展，在一些应用场景中常形成瞬态温度场(瞬态温度场指温度场的存在时间为秒级,甚至于毫秒级)，例如炸药爆炸、燃气爆炸、矿山爆破，在这些情况下，测量瞬态温度场的热通量可以有效评估温度场对周围人员或物体的破坏效果，对于实际应用具有重要意义，因此针对瞬态温度场热通量测量的相关研究日趋成为研究热点。

2、根据测量时检温元件与目标温度场的关系分为接触式和非接触式测温。非接触式测温主要包括:红外辐射测温法、荧光测温法、双谱线测温法、声学测温法等。红外辐射测温法可分为全辐射测温法及单色法、双波段测温法及多波段测温法等方法。红外辐射测温法是根据的基本原理是黑体辐射定律，全辐射测温法及单色法通过测量被测物体发出的不同波长的光确定物体的温度，但此方法受到被测对象发射率影响较大，在实际测量过程中难以准确测量温度，双波段测温法以及多波段测温法是根据两个或者多个给定波长的辐射功率，根据比率法得到被测对象的温度，适合未知发射率的对象，但作用范围仅限于辐射能量密度大的物体。荧光测温法是利用荧光物质受激发射出的荧光光强比或荧光寿命来实现测温。非接触式测温的优点是传感器体积小、无金属材料、具有完全的电绝缘性，不受高压、强电磁场的影响，能够抗化学腐蚀且无污染；由于瞬态温度场处于动态变化状态，无法涂抹荧光材料，荧光测温法不适用于瞬态温度场测量。根据原子发射光谱理论，受激原子从高能级向低能级跃迁时，产生特定的原子光谱，双谱线测温法通过测量原子光谱辐射的能量计算瞬态温度场温度，该方法可用于瞬态温度场测量，但是波段选择较为困难，需根据瞬态温度场选择合适的波段。

3、接触式测温法主要包括压力式测温法、光纤测温法和热电式测温法等。采用接触式测温法时，检温元件要直接接触目标，根据热力学平衡定律，传感器受到热传导的热量，根据热端和冷端的温差，检温元件输出的电信号通过集成电路转化成温度。接触式测温法运用热传导和热交换，由热力学第一定律可知，达到热平衡时的检温元件温度可以看作是被测介质的温度。接触式测温法具有操作简单，直观易见等优点。但是测温过程中，检温元件需要与被测对象充分接触并达到热平衡。其缺点也较为明显：由于接触式测温法的过程存在与被测对象的传热过程，限制了响应速度；同时检温元件与被测对象接触，对被测温度场产生干扰。

4、综上所述，现有测量方法至少存在如下技术问题：

5、1.现有非接触式测温存在受被测对象发射率影响较大、易受到其他因素干扰、所测温度为被测对象表面温度、周围介质易引起测量误差等问题，无法准确地测得瞬态温度场热通量。

6、2.现有接触式测温法存在响应速度不足、与被测对象接触而干扰温度场测量等问题，引起测量结果存在误差。

7、实际上，瞬态温度场热通量的测量可通过某些热缩片的变形程度测量而获得，通过合理设计，热缩片受热变形过程平稳可控，一些具有较大变形范围的形状记忆聚合物是比较理想的测量瞬态温度场测温材料。热缩片是指一些通过按一定比例混合的高聚物通过在编程温度下预制成一定形状后，在受热条件逐渐恢复至原始状态，它具有变形程度随温度改变而变化的特性，发生形状改变的温度称为变形温度。热缩片在受热变形过程中，在一定范围内其所处的温度和形状记忆聚合物的塑性变形量之间呈确定的函数关系，这样的温度-变形量对应特性，使其可适用于瞬态温度场热通量定量测量。热缩片外形一般为长条形，不同尺寸的形状记忆聚合物可构成多种规格的测量结构，对应于不同强度的瞬态温度场实现比较精确的测量。通过选择性能稳定、变形温度范围广的形状记忆聚合物材料可制作出结构稳定。性能可靠的瞬态温度场热通量测量装置。

8、目前，形状记忆聚合物主要应用于航空航天和生物医药等领域，尚无采用形状记忆聚合物材料制备瞬态温度场热通量测量装置的公开报导。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于热缩片的瞬态温度场热通量测试装置及方法，解决现有非接触测温法存在受被测对象发射率影响较大、易受到其他因素的影响、所测温度为物体表面温度、周围介质易引起测量误差等难题；弥补现有接触测温法存在响应速度不足、与被测对象接触产生被测温度场干扰的缺点。所提供的测试装置具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、布设快速、后结果处理方便、测量精度高等特点，可用于不同强度等级的瞬态温度场热通量的测量，为瞬态温度场热通量的测量提供种新的参考选择。测试方法是利用热缩片塑性变形将热通量定量转化为热缩片的定量塑性变形，从而实现瞬态温度场热通量的快速定量无源测试。测试方法不受被测对象发射率影响、测试误差小、响应速度快、不受被测温度场干扰。

2、本发明基于热缩片的瞬态温度场热通量测试装置由封装壳体、传热元件、热缩片、热阻块、螺丝、活动螺栓组成。定义靠近传热元件的一端为右端，定义远离传热元件的一端为左端；传热元件、热阻块、封装壳体同轴安装；热缩片、热阻块位于封装壳体内，热缩片位于热阻块两端的凹槽，热阻块紧贴传热元件左端面。

3、封装壳体用于装载和固定其他部件，形状为圆筒形。封装壳体外直径d1满足0.01m<d1<0.5m，壁厚t1满足0.02m<t1<0.1m，内直径d1满足d1＝d1-2t1，长度l1满足0.01m<l1<2m；封装壳体右端面加工的4个均匀分布螺丝孔中心距封装壳体端面圆心距离满足r1＝(d1+d1)/4，螺丝孔中径φ1满足0.005m<φ1<t1，螺丝孔深度t11满足0.02m<t11<0.1m，通过螺丝孔和螺丝的连接来固定传热元件；在左端面加工有一个内螺纹，内螺纹中径φ2＝d1，螺纹长度t2满足0.02m<t2<0.03m，通过内螺纹来固定活动螺栓。封装壳体外壁贴有隔热层，隔热层厚度t9满足0.00001m<t9<0.001m，使的封装壳体内外无热交换，从而达到隔热效果。隔热层的导热系数λ1满足0.01w/(m·k)<λ1<0.04w/(m·k)。封装壳体采用金属材料或者有机玻璃制成，要求材料满足：屈服强度σ1>150mpa，密度ρ1>1.0g/cm3，要求原则是封装壳体在外部冲击作用时不产生塑性变形。

4、传热元件用于将瞬态温度场的热量传导给热缩片和热阻块。形状由圆片和圆柱组成，圆片和圆柱的厚度t3和t4分别满足0.001m<t3<0.1m和0.005m<t4<0.03m，需要依据实际测量需要进行调整；在圆片右端面加工有4个螺丝通孔，螺丝孔中心距圆片圆心距离r2满足r2＝(d1+d1)/4，螺丝通孔直径＝φ1；传热元件通过螺丝固定在封装壳体的右端；传热元件采用导热性良好的材料制成，并且材料满足在外部冲击作用下不产生塑性变形，具体要求材料满足：屈服强度σ2>200mpa，密度ρ2>2.0g/cm3，导热系数λ2≥100w/(m·k)，且能在1000℃～10000℃高温下能耐受1秒到10分钟。传热元件通过螺丝进行固定和拆卸，从而能够重新装载新的热缩片，实现测试装置的再次利用。

5、热缩片用于表征接收到的热量，形状为长条形，其长度l2满足0.008m<l2<0.02m，宽度w1满足0.001m<w1<0.005m，厚度t5满足0.0005m<t5<0.001m。热缩片采用形状记忆聚合物制成，要求在进行瞬态温度场热通量测试前在编程温度下将热缩片预制成长条形，热缩片在受热时，随着温度的升高，热缩片根据不同的温度发生不同程度的塑性变形，且变形程度与温度间存在定量关系；不同长度、不同材料的形状记忆聚合物可构成多种规格的不同温度-变形程度精确对应的测啊领结构，对不同强度的瞬态温度场均能实现比较精确的测量。同时，使用性能稳定的形状记忆聚合物材料可制作处结构稳定、性能可靠、可长期保存和使用的瞬态温度场热通量测试装置。要求形状记忆聚合物材料满足：屈服强度σ3<1000mpa，密度ρ3<1.0g/cm3，且示温区间满足303k<t<503k；热缩片通过热阻块两端的凹槽进行固定，能够重新装载新的热缩片，实现测试装置的循环利用。

6、热缩片作用机理：瞬态温度场出现，携带的热量在空间进行传播，并对传热元件进行加载。瞬态温度场的热量传递给传热元件，并转化为传热元件的内能，传热元件的热量进而传递给热缩片和热阻块，热缩片形状发生变化，封装壳体内外壁的隔热层阻断其内外空间的热交换，不影响热缩片形状的变化。

7、热阻块为圆柱形，圆柱直径d2满足d2＝d1-2t1，厚度l2满足l2＝l1-t2-t4，热阻块两端相互平行且与封装壳体中轴线垂直。热阻块两端平面各有一条凹槽，凹槽为长方体，中心与热阻块中轴线重合，凹槽宽度w1与热缩片的宽度w1相同，长度l3与热缩片的长度l2相同，深度t6与热缩片的厚度t5相同，两条凹槽关于热阻块中心对称。热阻块采用无机材料、高分子材料或者金属氧化物制成，要求材料满足：屈服强度σ4<1000mpa，密度ρ4>2.0g/cm3，导热系数λ3满足λ3≤250w/(m·k)，热膨胀系数满足k≤3×10-5/℃。

8、瞬态温度场加载前，热缩片的长度为x1，经瞬态温度场加载后，拆除螺丝，取下传热元件，测量热缩片的长度为x2，得到热缩片的应变ε＝(x1-x2)/x1，判读时应确保传热元件与封装壳体间的界面紧密接触。通过温度-应变标定实验标定出本发明的温度(t)-应变(ε)间的对应关系，根据瞬态温度场加载前后热缩片的应变可计算得到两个热缩片的温度差δt，结合热阻块导热系数λ3和厚度l2，即可获得瞬态温度场的热通量ψ＝λ3·δt/l2(单位为w/m2)，从而实现瞬态温度场热通量的快速无源定量测量。

9、活动螺栓左端圆片直径d4满足d1<d4<1.2d1，厚度t8满足0.01m<t8<0.05m，右端外螺纹长度t7与封装壳体左端面内螺纹长度t2相同，螺纹中径φ3与封装壳体左端面内螺纹中径φ2相同，活动螺栓左端面加工有一个中心螺孔，通过中心螺孔与固定物的连接来固定测试装置。在活动螺栓左端面中心处加工有1个中心螺丝孔，中心螺丝孔直径φ4满足0.005m<φ4<0.03m，螺丝孔长度l3满足0.002m<l3<0.5t2，通过中心螺丝孔与固定物的连接来固定传感器装置。活动螺栓采用金属材料制成，要求材料满足：屈服强度σ5>200mpa，密度ρ5>2.0g/cm3。

10、采用本发明基于热缩片的瞬态温度场热通量测试装置进行瞬态温度场热通量测量的方法是：

11、第一步，通过温度-应变标定实验标定出测试装置的温度(t)-应变(ε)间的对应关系。

12、第二步，将活动螺栓6安装在封装壳体1左端，两片热缩片3分别放置在热阻块4两端凹槽41中，热阻块4放置在封装壳体1内；传热元件2通过螺丝5固定在封装壳体1右端构成测试装置，通过活动螺栓6的中心螺丝孔61将测试装置牢固固定在地面或者牢固的支座上。

13、第三步，检查传热元件2和封装壳体1之间是否紧密接触，热缩片3是否完全放置在热阻块4两端的凹槽41内，分别测量并记录热阻块4左端和右端的两片热缩片3在引爆炸药前的长度，令左端的为x11，令右端的为x21。

14、第四步，通过引爆炸药得到瞬态温度场，待瞬态温度场结束后，分别测量热阻块4左端和右端的两片热缩片3的长度，令左端的为x12，令右端的为x22。

15、第五步，计算热阻块4左端热缩片3的应变ε1，ε1＝(x11-x12)/x11，计算热阻块4右端热缩片3的应变ε2，ε2＝(x21-x22)/x21。

16、第六步，根据瞬态温度场加载前后两片热缩片3的应变ε1和ε2，根据温度(t)-应变(ε)间的对应关系查到两片热缩片3的温度分别为t1和t2。

17、第七步，计算热阻块两端的温度差δt，δt＝|t1-t2|。

18、第八步，结合热阻块4导热系数λ3和热阻块4的厚度l2，获得瞬态温度场的热通量ψ，ψ＝λ3·δt/l2(单位为w/m2)，实现瞬态温度场热通量的快速无源定量测量。

19、第九步，通过将传热元件2的螺丝5和活动螺栓6卸下更换新的热缩片3，从而实现测试装置的再次使用。

20、采用本发明可达到以下技术效果：

21、1.本发明通过测量实验前后热缩片的应变可得到通过热阻块的热量，可比较方便地得到瞬态温度场在传感器处的热通量，完成瞬态温度场热通量的定量测试。

22、2.本发明的热缩片可以采用不同材料构成，使得热缩片可以形成较为丰富的规格，依据热阻块的导热系数和热缩片的示温区间。可以实现对高、中、低温度的瞬态温度场均有较高的响应速度，从而能够实现对不同类型的瞬态温度场热通量的快速测量。测试装置可放置于温度场内，测得给定位置的热通量，不受复杂电磁环境干扰；测试装置无需达到瞬态温度场的温度即可测量，减少了对被测温度场干扰。

23、3.本发明具有结构简单，无需供电，布设使用方便，结果简单直观，使用成本低，且可重复使用等特点。