RU2769582C1

RU2769582C1 - Method for simultaneous calibration of several heat flow sensors

Info

Publication number: RU2769582C1
Application number: RU2021116557A
Authority: RU
Inventors: Михаил Алтаевич Котов; Елизавета Алексеевна Яценко; Николай Германович Соловьев
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-04-04

Abstract

FIELD: laser technology.

SUBSTANCE: invention relates to a method for simultaneous calibration of several heat flow sensors using laser radiation and can be used in high-speed gas dynamic experiments, in gas dynamics, in the study of flame and chemical reactions with heat release. Laser radiation is fed into the optical path in the form of a parallel beam. A radiation converter installed in the optical path changes the shape, size and angle of expansion or compression of the laser beam. A rotating flat mirror scans the received laser radiation and reflected from the rotating flat mirror on the surface of the calibrated sensors. The electrical signals received from the calibrated sensors are fed to the adder. The distance between the calibrated sensors is chosen to be larger than the size of the laser beam on the calibrated sensors, the surface of the calibrated sensors is installed perpendicular to the axis of the laser radiation incident on them at an equal distance from the center of rotation of the reflecting flat mirror, and the calibrated sensors themselves are maintained at a given temperature by placing on a heat sink plate.

EFFECT: increase in the accuracy and speed of calibration and its simplification.

1 cl, 2 dwg

Description

Заявляемый способ одновременной калибровки нескольких датчиков теплового потока направлен на упрощение процесса калибровки и улучшение характеристик, а именно, на повышение точности и быстроты проведения калибровки. The inventive method for the simultaneous calibration of several heat flux sensors is aimed at simplifying the calibration process and improving performance, namely, to increase the accuracy and speed of calibration.

Измерения температуры поверхности и теплового потока играют очень важную роль при проведении исследований процессов теплообмена. Регистрация изменения тепловых потоков в газодинамическом эксперименте в течение ультракоротких временных периодов является одним из наиболее существенных факторов при постановке и проведении исследований теплопередачи в импульсных сверх- и гиперзвуковых течениях. Характерные временные значения в таких газодинамических экспериментах составляют от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд. В экспериментах, проводимых в ударных трубах, модель испытывает внезапную сильную тепловую нагрузку в очень коротком временном масштабе измерения. Чтобы откалибровать термодатчики для таких условий набегающего потока, проводятся эксперименты путем приложения тепловой нагрузки от лазерного луча с известной выходной мощностью. Для импульсных газодинамических процессов метод лазерной калибровки является наиболее подходящим, поскольку позволяет очень быстро подавать на датчик желаемое значение теплового потока. Используемое значение мощности излучения является фиксированным и может быстро меняться в процессе калибровки. Получаемая вольт-ваттная характеристика датчика является подходящей для его последующего применения при рассматриваемых режимах течения газа - короткие временные интервалы и высокие температурные нагрузки. При исследовании сложных тел в ударных трубах требуется использование нескольких датчиков, расположенных в различных местах поверхности. Желательно применение датчиков с одинаковыми параметрами, или, по крайней мере, с полученными экспериментально значениями вольт-ваттных характеристик для автоматической корректировки результатов экспериментов. Surface temperature and heat flux measurements play a very important role in heat transfer studies. Registration of changes in heat fluxes in a gas-dynamic experiment during ultrashort time periods is one of the most significant factors in setting up and conducting studies of heat transfer in impulsive supersonic and hypersonic flows. Typical time values in such gas dynamic experiments range from hundreds of microseconds to several milliseconds. In experiments carried out in shock tubes, the model experiences a sudden strong thermal load on a very short measurement time scale. To calibrate the thermal sensors for such free flow conditions, experiments are carried out by applying a thermal load from a laser beam with a known output power. For pulsed gas dynamic processes, the laser calibration method is the most suitable, since it allows the desired value of the heat flux to be applied to the sensor very quickly. The emitted power value used is fixed and can change rapidly during the calibration process. The resulting volt-watt characteristic of the sensor is suitable for its subsequent application under the considered gas flow regimes - short time intervals and high temperature loads. The study of complex bodies in shock tubes requires the use of several sensors located at different points on the surface. It is desirable to use sensors with the same parameters, or at least with experimentally obtained values of the volt-watt characteristics for automatic correction of the experimental results.

Известен способ калибровки датчиков теплового потока, принятый за аналог, приведенный в [1-3] ([1] Jan A. Gatowski, Mark K. Smith, Alex C. Alkidas. An Experimental Investigation of Surface Thermometry and Heat Flux, Experimental Thermal and Fluid Science 1989, 2, [2] David R Buttsworth et al 2005 Meas. Sci. Technol. 16 1487, [3] Penty Geraets, R. T., et al. Calibration and Processing Techniques for a Robust Fast-Response Surface Heat Transfer Gauge. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2018). Используемые калибровочные стенды имеют лазерный источник излучения и оптическую схему. По приходу лазерного излучения на калибруемый датчик теплового потока начинается процесс записи сигнала, выдаваемого датчиком. Оптическая ось располагаются параллельно горизонту, калибруемый датчик помещается вертикально и подключается к регистрирующему устройству через усилитель сигнала.There is a known method for calibrating heat flux sensors, taken as an analogue given in [1-3] ([1] Jan A. Gatowski, Mark K. Smith, Alex C. Alkidas. An Experimental Investigation of Surface Thermometry and Heat Flux, Experimental Thermal and Fluid Science 1989, 2, [2] David R Buttsworth et al 2005 Meas Sci Technol 16 1487, [3] Penty Geraets, R. T., et al Calibration and Processing Techniques for a Robust Fast-Response Surface Heat Transfer Gauge. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2018). Used calibration stands have a laser source of radiation and an optical scheme. Upon the arrival of laser radiation at the calibrated heat flux sensor, the process of recording the signal generated by the sensor begins. The optical axis is parallel to the horizon, the calibrated sensor is placed vertically and connected to the recording device through a signal amplifier.

Известен способ калибровки датчиков теплового потока, принятый за аналог, приведенный в [4] ([4] Y. Heichal et al. Experimental Thermal and Fluid Science 30, 2005). При данном способе калибруемый датчик теплового потока располагается на горизонтальной платформе. Сфокусированный лазерный луч светит сверху, оптическая ось располагается перпендикулярно к горизонту. There is a known method for calibrating heat flux sensors, taken as analogous to that given in [4] ([4] Y. Heichal et al. Experimental Thermal and Fluid Science 30, 2005). With this method, the heat flow sensor to be calibrated is located on a horizontal platform. The focused laser beam shines from above, the optical axis is perpendicular to the horizon.

Недостатком описанных выше способов является неоднородность характерного профиля мощности излучения лазерного пучка, приходящего на калибруемый датчик. В оптических схемах отсутствуют элементы гомогенизации лазерного излучения для задания однородного распределения мощности на площадке калибруемого датчика. Этот факт затрудняет оценку мощности теплового потока, приходящего на датчик. Вследствие такой неоднородности калибрующий сигнал, получаемый от потока лазерного излучения, неравномерно приложенного к чувствительному элементу, будет отличаться от реальных условий, моделируемых в эксперименте. Получаемая при такой калибровке вольт-ваттная характеристика не может иметь высокую степень достоверности при применении датчика в реальном газодинамическом эксперименте.The disadvantage of the methods described above is the inhomogeneity of the characteristic power profile of the radiation of the laser beam coming to the calibrated sensor. There are no elements of homogenization of laser radiation in optical schemes to set a uniform power distribution on the site of the calibrated sensor. This fact makes it difficult to estimate the power of the heat flux coming to the sensor. Due to such inhomogeneity, the calibrating signal obtained from a laser radiation flux applied nonuniformly to the sensitive element will differ from the actual conditions simulated in the experiment. The volt-watt characteristic obtained with such a calibration cannot have a high degree of reliability when using the sensor in a real gas-dynamic experiment.

Известен способ калибровки датчиков теплового потока [5] ([5] Патент RU 75467 U1), приведенный в [6] ([6] S. Sapozhnikov, V. Mityakov, A. Mityakov. Heatmetry: The Science and Practice of Heat Flux Measurement. Springer Nature 2020). При данном способе в качестве элемента подвода лазерного излучения к калибруемому датчику в оптической схеме использовался зеркальный расширитель пучка. За счет известного из уровня техники свойств гомогенизации излучения зеркальный расширитель может увеличивать пространственные характеристики градиентов мощности излучения и сглаживать резкие локальные границы их переходов, обусловленных такими неоднородностями.There is a known method for calibrating heat flux sensors [5] ([5] Patent RU 75467 U1) given in [6] ([6] S. Sapozhnikov, V. Mityakov, A. Mityakov. Heatmetry: The Science and Practice of Heat Flux Measurement Springer Nature 2020). With this method, a mirror beam expander was used as an element for supplying laser radiation to a calibrated sensor in the optical scheme. Due to the properties of radiation homogenization known from the prior art, the mirror expander can increase the spatial characteristics of radiation power gradients and smooth out sharp local boundaries of their transitions due to such inhomogeneities.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности перемещения лазерного луча по поверхности калибруемого датчика, что не позволяет моделировать тепловое воздействие, аналогичное возникающему в высокоскоростных газодинамических экспериментах. Кроме того, не предусмотрена одновременная калибровка нескольких датчиков. The disadvantage of this method is the inability to move the laser beam over the surface of the sensor being calibrated, which does not allow modeling thermal effects similar to those that occur in high-speed gas-dynamic experiments. In addition, simultaneous calibration of several sensors is not provided.

Известен способ калибровки датчиков теплового потока, принятый за прототип, приведенный в [7] ([7] Dean Jennings, Patent US 7005601 B2 02/28/2006). В данном способе для размещения калибруемого датчика используется горизонтальная платформа, которая является подвижной в одном горизонтальном направлении. Благодаря этому имеется возможность двигать лазерный луч для задания при процессе калибровки датчика линии непрерывного теплового нагружения.A known method for calibrating heat flux sensors, taken as a prototype, is given in [7] ([7] Dean Jennings, Patent US 7005601 B2 02/28/2006). In this method, a horizontal platform is used to place the sensor to be calibrated, which is movable in one horizontal direction. Due to this, it is possible to move the laser beam to set the line of continuous thermal loading during the calibration process of the sensor.

Недостатком данного способа является отсутствие возможностей регулировки положения лазерного излучения в широких пространственных и временных диапазонах. Данные ограничения обусловлены техническими характеристиками устройств, реализующих подвод и движение излучения, и также не позволяют моделировать тепловое воздействие, аналогичное возникающему в высокоскоростных газодинамических экспериментах, в том числе, при одновременной калибровке нескольких датчиков.The disadvantage of this method is the lack of opportunities to adjust the position of the laser radiation in wide spatial and temporal ranges. These limitations are due to the technical characteristics of the devices that implement the supply and movement of radiation, and also do not allow modeling the thermal effect similar to that that occurs in high-speed gas-dynamic experiments, including the simultaneous calibration of several sensors.

Заявляемый способ одновременной калибровки нескольких датчиков теплового потока направлен на упрощение процесса калибровки и улучшение характеристик, а именно на повышение точности и быстроты проведения калибровки. The proposed method for the simultaneous calibration of several heat flux sensors is aimed at simplifying the calibration process and improving performance, namely, to increase the accuracy and speed of calibration.

Указанный результат достигается тем, что в способе одновременной калибровки нескольких датчиков теплового потока в оптический тракт подают лазерное излучение в виде параллельного пучка, при этом установленным в оптическом тракте преобразователем излучения меняют форму, размер и угол расширения или сжатия лазерного пучка, затем вращающимся плоским зеркалом сканируют полученное лазерное излучение, отраженное от вращающегося плоского зеркала, по поверхности калибруемых датчиков, а полученные с калибруемых датчиков электрические сигналы подают на суммирующую схему, причем расстояние между калибруемыми датчиками выбирают больше размера лазерного пучка на калибруемых датчиках, поверхность калибруемых датчиков устанавливают перпендикулярно оси падающего на них лазерного излучения на равном расстоянии от центра вращения отражающего плоского зеркала, а сами калибруемые датчики поддерживают при заданной температуре размещением на теплоотводящей пластине.This result is achieved by the fact that in the method of simultaneous calibration of several heat flux sensors, laser radiation is supplied to the optical path in the form of a parallel beam, while the shape, size and angle of expansion or compression of the laser beam is changed by a radiation converter installed in the optical path, then a rotating flat mirror is scanned the resulting laser radiation reflected from a rotating flat mirror over the surface of the calibrated sensors, and the electrical signals received from the calibrated sensors are fed to the summing circuit, and the distance between the calibrated sensors is chosen greater than the size of the laser beam on the calibrated sensors, the surface of the calibrated sensors is set perpendicular to the axis of the incident on them laser radiation at an equal distance from the center of rotation of the reflecting flat mirror, and the calibrated sensors themselves are maintained at a given temperature by being placed on a heat-removing plate.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами.The essence of the claimed invention is illustrated by examples of its implementation and graphic materials.

На фиг. 1 представлен вариант осуществления изобретения.In FIG. 1 shows an embodiment of the invention.

На фиг. 2 приведен вариант стандартного сигнала, получаемого с датчика в экспериментах на ударных трубах [8] ([8] P A Popov et al 2020 J. Phys.: Conf. Ser. 1697 012225).In FIG. Figure 2 shows a version of the standard signal obtained from the sensor in shock tube experiments [8] ([8] P A Popov et al 2020 J. Phys.: Conf. Ser. 1697 012225).

Способ калибровки датчиков теплового потока реализуется устройством, которое состоит из лазера 1, генерирующего параллельный пучок лазерного излучения 2, оптического тракта с установленным преобразователем излучения 3, который предназначен для изменения формы, угла расширения или сжатия лазерного луча и представляет собой прибор, состоящий, например, из комбинации линз и диафрагм, в том числе, известных из уровня техники аподизирующих диафрагм, задающих форму и размер пучка лазерного излучения, попадающего на вращающееся плоское зеркало 4, на котором точкой показан центр его вращения, а стрелками – условное направление вращения. Вращение плоского зеркала 4 может осуществляться, например, электрическим двигателем (на фиг. 1 не показан). Отраженный от вращающегося плоского зеркала 4 пучок лазерного излучения, в качестве примера изображенный сходящимся, направляют на калибруемые датчики 5 (в качестве примера на фиг. 1 показаны 3 калибруемых датчика), установленные на теплоотводящей пластине 6. Пластина 6 имеет цилиндрическую форму с центром в точке вращения плоского зеркала 4. При вращении плоского зеркала 4 пучок лазерного излучения, отражаясь от плоского зеркала 4, последовательно перемещается по калибруемым датчикам 5. Стрелками вблизи калибруемых датчиков 5 условно показано направление его перемещения. При равном расстоянии поверхности калибруемых датчиков 5 от центра вращения плоского зеркала 4 форма и интенсивность лазерного излучения на поверхности каждого калибруемого датчика 5 будет одинаковой. Температура пластины 6, а значит, и калибруемых датчиков 5, может поддерживаться постоянной при помощи воздушного или водяного охлаждения. Электрические сигналы с калибруемых датчиков 5 передают на сумматор 7, представляющий собой известную из уровня техники электронную схему, реализованную на базе операционных усилителей или микропроцессора. С выхода сумматора 7 электрический сигнал, равный сумме электрических сигналов с калибруемых датчиков 5, подают на регистратор 8, представляющий собой, например, осциллограф, или цифровой регистратор на основе аналого-цифрового преобразователя и запоминающего устройства, которые известны из уровня техники. Электрические сигналы, передающиеся от калибруемых датчиков 5 к сумматору 7 и далее к регистратору 8, условно показаны на фиг. 1 в виде сплошных линий. The method for calibrating heat flux sensors is implemented by a device that consists of a laser 1 that generates a parallel beam of laser radiation 2, an optical path with an installed radiation converter 3, which is designed to change the shape, angle of expansion or contraction of the laser beam and is a device consisting, for example, from a combination of lenses and diaphragms, including apodizing diaphragms known from the prior art, which determine the shape and size of the laser beam incident on a rotating flat mirror 4, on which the center of its rotation is indicated by a dot, and the conditional direction of rotation is indicated by arrows. Rotation of the flat mirror 4 can be carried out, for example, by an electric motor (not shown in Fig. 1). The beam of laser radiation reflected from a rotating flat mirror 4, as an example depicted as converging, is directed to calibrated sensors 5 (as an example, Fig. 1 shows 3 calibrated sensors) mounted on a heat-removing plate 6. The plate 6 has a cylindrical shape with a center at the point rotation of the flat mirror 4. During the rotation of the flat mirror 4, the laser radiation beam, reflected from the flat mirror 4, sequentially moves along the calibrated sensors 5. Arrows near the calibrated sensors 5 conditionally show the direction of its movement. With an equal distance of the surface of the calibrated sensors 5 from the center of rotation of the flat mirror 4, the shape and intensity of laser radiation on the surface of each calibrated sensor 5 will be the same. The temperature of the plate 6, and hence of the sensors 5 to be calibrated, can be kept constant by means of air or water cooling. Electrical signals from the calibrated sensors 5 are transmitted to the adder 7, which is an electronic circuit known from the prior art, implemented on the basis of operational amplifiers or a microprocessor. From the output of the adder 7, an electrical signal equal to the sum of the electrical signals from the calibrated sensors 5 is fed to the recorder 8, which is, for example, an oscilloscope, or a digital recorder based on an analog-to-digital converter and a memory device, which are known from the prior art. The electrical signals transmitted from the calibrated sensors 5 to the adder 7 and further to the recorder 8 are conventionally shown in Fig. 1 as solid lines.

Изобретение работает следующим образом. Генерируемый лазером 1 пучок параллельного излучения 2 направляют по оптическому тракту через преобразователь излучения 3, в котором может быть изменена его форма, угол расширения или сжатия пучка. Далее преобразованный пучок лазерного излучения направляют на приводимое во вращение электродвигателем (на фиг. 1 не показан) плоское зеркало 4 и отражают от него в сторону калибруемых датчиков 5. Отраженный от вращающегося плоского зеркала 4 пучок лазерного излучения за счет вращения плоского зеркала 4 перемещают по поверхности теплоотводящей пластины 6, на которой установлены калибруемые датчики 5, поверхность которых располагают на равном расстоянии от центра вращения плоского зеркала 4. Преобразованный преобразователем излучения 3 лазерный пучок требуется равномерно распределить по всей поверхности каждого из калибруемых датчиков 5 таким образом, чтобы суммарный (интегральный) импульс теплового воздействия был одинаков в каждой точке поверхности каждого калибруемого датчика 5 при прохождении по нему пучка лазерного излучения, как это происходит в реальном газодинамическом эксперименте. Это достигается в преобразователе излучения 3 расширением или сужением лазерного пучка для заполнения лазерным излучением всей поверхности каждого из калибруемых датчиков 5 при помощи линз и ограничивающих диафрагм. В случае, если лазерный пучок 2, генерируемый лазером 1, имеет неравномерное распределение интенсивности в поперечном сечении, как, например, известный из уровня техники гауссов пучок, в преобразователе излучения 3 используют также аподизирующую диафрагму, поглощение которой в различных областях поверхности пропорционально интенсивности лазерного излучения в этой области. Таким образом формируется равномерный пучок лазерного излучения, соответствующий по форме и размерам каждому калибруемому датчику 5. Пучок лазерного излучения попадает последовательно на калибруемые датчики 5, вызывая на каждом калибруемом датчике 5 тепловой импульс, аналогичный тепловому импульсу при воздействии ударной волны. Калибруемые датчики 5 располагают на теплоотводящей пластине 6 таким образом, что пучок лазерного излучения достигает следующего калибруемого датчика 5 только полностью закончив перемещение по предыдущему калибруемому датчику 5. То есть между электрическими сигналами от последовательно облучаемых пучком лазерного излучения калибруемых датчиков 5 образуется промежуток времени, когда ни на один из калибруемых датчиков 5 не попадает лазерное излучение, что соответствует на выходе сумматора 7 нулевому уровню теплового воздействия. На регистраторе 8, например, на экране осциллографа, суммарный сигнал от калибруемых датчиков 5 (в рассматриваемом случае от трех калибруемых датчиков 5) будет иметь форму, состоящую из трех последовательных импульсов с промежутками, соответствующими нулевому тепловому воздействию. При вращении плоского зеркала 4 указанный процесс повторяется периодически при каждом обороте плоского зеркала 4, приводимого во вращение электродвигателем. При этом по форме и амплитуде сигналов с калибруемых датчиков 5 возможна настройка калибруемых датчиков 5 в реальном времени, например, введением корректирующих RC-цепочек, резистивных и емкостных делителей, промежуточных усилителей сигнала с требуемыми характеристиками. Калибруемые датчики 5 располагают перпендикулярно падающему на них лазерному излучению на равном расстоянии их поверхности от центра вращения плоского зеркала 4 с целью получения одинакового теплового воздействия на каждый калибруемый датчик и попадания большей части лазерного излучения на поверхность калибруемых датчиков 5. Для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения возможно покрытие поверхности калибруемых датчиков 5 поглощающим материалом. Калибруемые датчики 5 устанавливают на теплоотводящей пластине 6 с целью охлаждения калибруемых датчиков 5 при воздействии тепловых импульсов, так как калибруемые датчики 5 могут иметь температурную зависимость своих показаний. Из-за возможной температурной зависимости свойств калибруемых датчиков теплоотводящая пластина 6 поддерживается при постоянной температуре воздушным или водяным охлаждением, либо элементами Пельтье, либо другими известными из уровня техники способами. Теплоотводящая пластина 6 может быть выполнена из металла или керамики с высокой теплопроводностью.The invention works as follows. The beam of parallel radiation 2 generated by the laser 1 is directed along the optical path through the radiation converter 3, in which its shape, the angle of expansion or compression of the beam can be changed. Next, the converted laser radiation beam is directed to a flat mirror 4 driven by an electric motor (not shown in Fig. 1) and reflected from it towards the calibrated sensors 5. The beam of laser radiation reflected from the rotating flat mirror 4 is moved over the surface due to the rotation of the flat mirror 4 heat-removing plate 6, on which calibrated sensors 5 are installed, the surface of which is located at an equal distance from the center of rotation of the flat mirror 4. The laser beam converted by the radiation converter 3 must be uniformly distributed over the entire surface of each of the calibrated sensors 5 so that the total (integral) pulse thermal effect was the same at each point of the surface of each calibrated sensor 5 when a laser beam passed through it, as happens in a real gas-dynamic experiment. This is achieved in the radiation converter 3 by expanding or narrowing the laser beam to fill the entire surface of each of the calibrated sensors 5 with laser radiation using lenses and limiting diaphragms. If the laser beam 2 generated by the laser 1 has an uneven intensity distribution in the cross section, such as, for example, the Gaussian beam known from the prior art, an apodizing diaphragm is also used in the radiation converter 3, the absorption of which in different areas of the surface is proportional to the intensity of the laser radiation in this region. Thus, a uniform beam of laser radiation is formed, corresponding in shape and size to each calibrated sensor 5. The laser radiation beam hits the calibrated sensors 5 in series, causing a thermal impulse on each calibrated sensor 5, similar to a thermal impulse when exposed to a shock wave. The calibrated sensors 5 are placed on the heat-removing plate 6 in such a way that the laser radiation beam reaches the next calibrated sensor 5 only when it has completely completed its movement along the previous calibrated sensor 5. That is, between the electrical signals from the calibrated sensors 5 sequentially irradiated by the laser radiation beam, a time interval is formed when neither one of the calibrated sensors 5 does not receive laser radiation, which corresponds to the zero level of thermal impact at the output of the adder 7. On the recorder 8, for example, on the screen of an oscilloscope, the total signal from the calibrated sensors 5 (in this case from three calibrated sensors 5) will have a form consisting of three consecutive pulses with intervals corresponding to zero thermal effect. When the flat mirror 4 rotates, this process is repeated periodically with each revolution of the flat mirror 4, which is driven by an electric motor. At the same time, according to the shape and amplitude of the signals from the calibrated sensors 5, it is possible to adjust the calibrated sensors 5 in real time, for example, by introducing corrective RC circuits, resistive and capacitive dividers, intermediate signal amplifiers with the required characteristics. Calibrated sensors 5 are placed perpendicular to the laser radiation incident on them at an equal distance of their surface from the center of rotation of the flat mirror 4 in order to obtain the same thermal effect on each calibrated sensor and to get most of the laser radiation on the surface of the calibrated sensors 5. To increase the absorption coefficient of laser radiation, it is possible covering the surface of the sensors being calibrated 5 with absorbing material. The calibrated sensors 5 are installed on the heat sink plate 6 in order to cool the calibrated sensors 5 when exposed to thermal pulses, since the calibrated sensors 5 may have a temperature dependence of their readings. Due to the possible temperature dependence of the properties of the sensors being calibrated, the heat sink plate 6 is maintained at a constant temperature by air or water cooling, either by Peltier elements, or by other methods known from the prior art. The heat sink plate 6 may be made of metal or ceramic with high thermal conductivity.

В отличие от ударной волны, действующей на датчики однократно, периодическое воздействие позволяет оперативно откалибровать датчики 5 при различных мощностях лазерного излучения, скоростях нарастания теплового воздействия и длительности теплового импульса, которые можно варьировать в широких пределах изменением формы, размера и угла схождения и расхождения пучка лазерного излучения, установленным преобразователем излучения 3, и скоростью вращения плоского зеркала 4. In contrast to the shock wave acting on the sensors once, periodic exposure allows you to quickly calibrate the sensors 5 at different laser radiation powers, thermal effect rise rates and thermal pulse duration, which can be varied over a wide range by changing the shape, size and angle of convergence and divergence of the laser beam. radiation, installed by the radiation converter 3, and the speed of rotation of the flat mirror 4.

Для оценки применимости изобретения предположим, что скорость вращения плоского зеркала 4 составляет 60000 оборотов в минуту, что можно обеспечить, например, стандартным станочным электрическим шпинделем. Тогда при расстоянии от вращающегося плоского зеркала 4 до калибруемых датчиков 5, например, R= 50 см получим при угловой скорости W = 1000 оборотов в секунду линейную скорость на калибруемых датчиках 5 (следует из геометрической оптики) V = 2πR•2W = 2 х 3,14 х 50 х 2 х 1000 = 628000 см/с. При стандартном размере калибруемого датчика, например, 0,5 см получится длительность нарастания фронта приблизительно 0,8 мкс, что сопоставимо с экспериментальными данными, представленными на фиг. 2. To evaluate the applicability of the invention, let us assume that the speed of rotation of the flat mirror 4 is 60,000 rpm, which can be achieved, for example, with a standard machine tool electric spindle. Then, at a distance from a rotating flat mirror 4 to calibrated sensors 5, for example, R= 50 cm, we obtain at an angular velocity W = 1000 revolutions per second the linear velocity on calibrated sensors 5 (follows from geometric optics) V = 2πR•2W = 2 x 3 .14 x 50 x 2 x 1000 = 628000 cm/s. With a standard size of the probe being calibrated, for example, 0.5 cm, a rise time of approximately 0.8 µs will be obtained, which is comparable to the experimental data presented in Fig. 2.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в простом способе одновременной калибровки нескольких датчиков моделированием тепловой нагрузки, аналогичной возникающей в высокоскоростных газодинамических экспериментах, с помощью лазерного излучения, отражающегося от вращающегося зеркала. При этом сигнал с датчиков подается на суммирующую схему, позволяющую одновременно регистрировать форму импульсов всех датчиков на одном экране. В отличие от трудоемких и дорогостоящих однократных газодинамических экспериментов заявляемое изобретение позволяет в многократно повторяющемся режиме точно измерять отклик калибруемых датчиков на тепловой поток, сравнивать в реальном времени их характеристики и при необходимости осуществлять калибровку, настройку или отбраковку датчиков.A characteristic feature of the claimed invention is a simple method for simultaneously calibrating several sensors by simulating a thermal load, similar to that occurring in high-speed gas-dynamic experiments, using laser radiation reflected from a rotating mirror. In this case, the signal from the sensors is fed to the summing circuit, which makes it possible to simultaneously record the pulse shape of all sensors on one screen. In contrast to time-consuming and expensive one-time gas-dynamic experiments, the claimed invention allows, in a repeatedly repeated mode, to accurately measure the response of calibrated sensors to heat flow, compare their characteristics in real time and, if necessary, calibrate, adjust or reject sensors.

Claims

Способ одновременной калибровки датчиков теплового потока, при котором калибровку выполняют посредством лазерного излучения, которое подают в оптический тракт в виде параллельного пучка, отличающийся тем, что в оптический тракт устанавливают преобразователь лазерного излучения и посредством него меняют форму, размер и угол расширения или сжатия пучка лазерного излучения, а вращающимся плоским зеркалом полученное лазерное излучение сканируют последовательно по поверхности калибруемых датчиков и полученные с калибруемых датчиков электрические сигналы подают на сумматор, причем расстояние между калибруемыми датчиками выбирают больше размера лазерного пучка на калибруемых датчиках и поверхность калибруемых датчиков устанавливают перпендикулярно оси падающего на них лазерного излучения на равном расстоянии от центра вращения отражающего плоского зеркала, при этом преобразованный преобразователем излучения лазерный пучок равномерно распределяют по всей поверхности каждого из калибруемых датчиков с обеспечением суммарного импульса теплового воздействия, одинакового в каждой точке поверхности каждого калибруемого датчика при прохождении по нему пучка лазерного излучения, причем пучок лазерного излучения перемещают до следующего калибруемого датчика при условии, что полностью закончено перемещение по предыдущему калибруемому датчику, и при обеспечении между электрическими сигналами от последовательно облучаемых пучком лазерного излучения калибруемых датчиков промежутка времени, когда ни на один из калибруемых датчиков не попадает лазерное излучение, что соответствует на выходе сумматора нулевому уровню теплового воздействия, причем калибруемые датчики поддерживают при заданной температуре размещением на теплоотводящей пластине.A method for simultaneous calibration of heat flow sensors, in which calibration is performed by means of laser radiation, which is fed into the optical path in the form of a parallel beam, characterized in that a laser radiation converter is installed in the optical path and by means of it the shape, size and angle of expansion or contraction of the laser beam are changed radiation, and with a rotating flat mirror, the resulting laser radiation is scanned sequentially over the surface of the calibrated sensors and the electrical signals received from the calibrated sensors are fed to the adder, and the distance between the calibrated sensors is chosen to be greater than the size of the laser beam on the calibrated sensors and the surface of the calibrated sensors is set perpendicular to the axis of the laser incident on them radiation at an equal distance from the center of rotation of the reflecting flat mirror, while the laser beam converted by the radiation converter is evenly distributed over the entire surface of each of the calibrated sensors sensors with the provision of a total thermal impulse that is the same at each point on the surface of each calibrated sensor when a laser radiation beam passes through it, and the laser radiation beam is moved to the next calibrated sensor, provided that the movement along the previous calibrated sensor is completely completed, and provided that between the electrical signals from the calibrated sensors sequentially irradiated by the laser radiation beam of the time interval when none of the calibrated sensors is exposed to laser radiation, which corresponds to the zero level of thermal effect at the output of the adder, and the calibrated sensors are maintained at a given temperature by being placed on a heat-removing plate.