激光干涉光譜儀器中的低溫度響應(yīng)艙體

焦建瑛 張濤 王嵩梅 何少平

摘? 要：文章討論了精密激光干涉光譜儀器的干涉腔環(huán)境溫控技術(shù)。激光干涉測(cè)量技術(shù)是一種高精度光學(xué)測(cè)量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)度測(cè)量、速度/加速度測(cè)量、光學(xué)參數(shù)測(cè)量、氣體濃度測(cè)量、空氣顆粒度測(cè)量等領(lǐng)域，具有非接觸測(cè)量、精度高、靈敏度高、量程較大等顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也對(duì)儀器設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在基于干涉放大的吸收光譜腔的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為避免由于溫度、自振等干擾給系統(tǒng)帶來(lái)的固有誤差，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用應(yīng)力屏蔽或吸收的形式能夠很好的降低外界振動(dòng)激勵(lì)，而對(duì)于溫度的響應(yīng)就顯得尤為重要。文章設(shè)計(jì)了一款用于激光干涉放大吸收光譜儀器中應(yīng)用的低溫度響應(yīng)保溫艙體，采用多層保溫材料結(jié)合可控?fù)Q熱窗口的設(shè)計(jì)，在內(nèi)部發(fā)熱功率一定的情況下，通過(guò)解傳導(dǎo)、對(duì)流換熱線性方程組確立了艙體內(nèi)外溫差與內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)之間的關(guān)系，為各層保溫材料的換熱系數(shù)選取與厚度設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。在外界為室溫常態(tài)的對(duì)流狀態(tài)時(shí)（對(duì)流換熱系數(shù)約為3.0W/m^2/K），50W的內(nèi)部發(fā)熱情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外75℃左右的溫差，并通過(guò)有限元軟件驗(yàn)證計(jì)算;且由于隔熱設(shè)計(jì)，系統(tǒng)對(duì)高頻正弦諧波輸入的溫度具有降低響應(yīng)速度和幅度的良好效果，得到了較大的阻尼系數(shù)。該設(shè)計(jì)能夠?yàn)楦缮鏈y(cè)量?jī)x器提供良好的運(yùn)行環(huán)境，降低系統(tǒng)固有的溫度干擾，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的精密測(cè)量。

關(guān)鍵詞：溫度控制;熱傳導(dǎo);有限元仿真;低響應(yīng);干涉光譜儀

中圖分類(lèi)號(hào)：TH744? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）10-0009-04

Abstract： Laser interference detective is a kind of high precision optical measurement technology. Due to the significant advantages of non-contact， high precision， high sensitivity and wide measure range， it has been extensively applied to length measurement， velocity/acceleration measurement， optic parameters detective， trace gas detective， particle ratio within air detective， etc. The interferential cavity amplified optic spectral measurement tech is one of the most important application in laser interference detective. It employs ultra-highly precision in measuring the spectrum corresponding to the stability of geometric dimensions of the cavity. Along with such micro- and nano-measurement scale， preference for mechanical stability against the variable environment is extremely desired. In general， temperature disturbance and mechanical vibration respond for systematical error， and vibration shielding/absorbing is always adapted in the structure. While， the temperature isolation and response are more dominating. An insensitive temperature response chamber for laser interferential signal amplified spectral measurement device is presented in this article. The mainly temperature management strategy is the combination of multi-layer of isolations and actively manipulated heat transfer port. Simultaneously solving the equations of heat conduction and heat convection， either the temperature difference between the internal and external， or the appropriate internal convective coefficient is definitely determined. When internal heat generation rate is 50 W， it achieves an 75 ℃ difference while the external convection is generally stable （3.0 W/m^2/K）. The finite element analysis （FEA） agrees well. Based on these implements， it tends to reduce the response period and magnitude of the temperature variation in internal significantly when accompanying a high frequency sinusoidal harmonic temperature input in this system. A high temperature resistance is achieved within the system. We believe that the presented configuration can provide a stable environment， reduce the intrinsic temperature disturbance and maintain the long-period precision.

Keywords： temperature management; heat transfer; finite element analysis （FEA）; insensitive response; interferometer-spectrometer

1 概述

激光干涉測(cè)量技術(shù)是一種高精度光學(xué)測(cè)量技術(shù)，由于涉及到光波長(zhǎng)量級(jí)的分辨能力，使它具備測(cè)量精度高、空間分辨率高、時(shí)間分辨率高、測(cè)量靈敏度高等顯著優(yōu)勢(shì)[1]，此外它的非接觸測(cè)量和可控的大量程覆蓋也使得其應(yīng)用范圍極其廣泛，較常見(jiàn)的應(yīng)用有長(zhǎng)度測(cè)量、時(shí)間測(cè)量、速度/加速度測(cè)量、位移測(cè)量、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量、光學(xué)參數(shù)測(cè)量、空氣顆粒度測(cè)量、氣體濃度測(cè)量及其他精密測(cè)量場(chǎng)合。

激光干涉測(cè)量是以波長(zhǎng)為計(jì)量單位，將被測(cè)物體的信息以載波的形式傳遞至探測(cè)器終端，承載信息的光波信號(hào)往往非常微弱，通過(guò)諧振放大是一種很好的手段，然而又基于此特性使得儀器在生產(chǎn)過(guò)程中，特別是光學(xué)干涉相關(guān)器件的精度尤為重要，其在運(yùn)行過(guò)程中是否能夠穩(wěn)定保持自身幾何特征、正確誘導(dǎo)激光干涉現(xiàn)象，是輸出純凈正確的測(cè)量信號(hào)的關(guān)鍵所在[2]。實(shí)際使用中溫度響應(yīng)是影響測(cè)量精度與穩(wěn)定性的重要因素，一般的干涉放大器件如諧振腔，是具有特性幾何特征、特定模式空間的窄帶濾波器件，光學(xué)諧振腔的溫度響應(yīng)對(duì)激光模式匹配、起振波長(zhǎng)的選擇有著重要影響，進(jìn)而直接關(guān)系到最終測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[3]。

在精密光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用因瓦合金能夠使得光學(xué)諧振腔的幾何溫度響應(yīng)達(dá)到1.5e-61/℃的超穩(wěn)定狀態(tài)，但就干涉測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這往往還是不夠，因此穩(wěn)定的儀器環(huán)境是產(chǎn)品的必要條件[4]。如車(chē)載、機(jī)載甚至星載等復(fù)雜工況的工作平臺(tái)上運(yùn)行干涉光譜設(shè)備就會(huì)面臨極其苛刻的溫度環(huán)境，僅僅依靠因瓦合金是不夠的，還需要穩(wěn)定的溫度環(huán)境控制技術(shù)。

本文擬基于低溫度響應(yīng)設(shè)計(jì)原則，采用多層隔熱設(shè)計(jì)，增加保溫艙熱阻，降低外界溫度變化對(duì)腔內(nèi)器件的影響。根據(jù)熱傳導(dǎo)方程、對(duì)流方程、納維-斯托克斯方程組（Navier-stokes equations）等理論設(shè)計(jì)隔熱層結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合基于反饋控制的換熱窗口，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)溫度高的精度控制與低響應(yīng)表現(xiàn)。

2 低響應(yīng)換熱原理

對(duì)于連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的激光干涉放大光譜儀其內(nèi)部熱功耗應(yīng)當(dāng)是固定的且設(shè)備應(yīng)處于一個(gè)空氣流動(dòng)速度較緩和（如室內(nèi)）的空間，即設(shè)備邊界條件為內(nèi)部具有固定的熱流量（第二類(lèi)邊界條件）、外部具有固定的對(duì)流換熱系數(shù)及流體溫度（第三類(lèi)邊界條件）[5]。保溫艙體的設(shè)計(jì)應(yīng)從隔熱的角度出發(fā)，使得艙體內(nèi)利用較少的能量，能夠獲得理想的溫度環(huán)境，同時(shí)對(duì)外界環(huán)境具有較低、“較遲鈍”的響應(yīng)。

對(duì)于外隔熱層、金屬艙體壁、內(nèi)隔熱層三個(gè)物體的組合體系，基于傅里葉導(dǎo)熱定律和對(duì)流換熱定律即可方便計(jì)算內(nèi)外溫度的溫差，只要給定外界氣溫的初值，能夠獲得內(nèi)部空氣的溫度[6]。

傅里葉導(dǎo)熱定律如下，

其中q是熱流量，這里為內(nèi)部器件的發(fā)熱功率，h對(duì)流換熱系數(shù)，本系統(tǒng)有內(nèi)外兩個(gè)對(duì)流換熱系數(shù)參與計(jì)算，t是流體的溫度分別包括內(nèi)流體與外流體，？姿是各部分參與導(dǎo)熱的導(dǎo)熱系數(shù)，y是壁面法方向的坐標(biāo)軸，向外為正。流體的熱交換是基于壁面無(wú)速度滑移的假設(shè)進(jìn)行。

納維斯托克斯方程組控制著所有流體行為與流體換熱行為，方程組如下，

（2）

（4）

其中u是流體速度，p是流體壓強(qiáng)，ρ是流體密度，μ是流體的運(yùn)動(dòng)粘度，F(xiàn)i為流體體力，cp是流體的定壓比熱容?；诹黧w不可壓縮和流體無(wú)形不變的假設(shè)，ρ，μ，cp為常量[7]。

hx是局部對(duì)流換熱系數(shù)，cf是范寧摩擦系數(shù)，Rex是局部雷諾數(shù)，U∞是主流速度。通過(guò)求解傅里葉導(dǎo)熱定率和納維斯托克斯方程，能夠計(jì)算內(nèi)外氣體對(duì)應(yīng)流速下的對(duì)流換熱系數(shù)，根據(jù)給定的溫差允許范圍，能夠獲得內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)系。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配

保溫艙采用航空鋁合金生產(chǎn)，并做局部減重，局部保留一定剛度，內(nèi)外噴涂隔熱漆形成三層夾層的換熱系統(tǒng)。低熱阻主動(dòng)換熱窗口同為內(nèi)外布置的夾層結(jié)構(gòu)，分別安裝有換熱風(fēng)扇、換熱翅片、TEC溫控模塊、集中換熱板、導(dǎo)風(fēng)板等零部件。

4 計(jì)算結(jié)果分析與驗(yàn)證

通過(guò)求解固體導(dǎo)熱與對(duì)流換熱方程組，獲得在保溫艙主體厚度8mm，保溫層厚度分別為5mm與1mm的情況下，在外界對(duì)流換熱系數(shù)為室內(nèi)典型參數(shù)（3W/m^2/K）的情況下確定了內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)與內(nèi)外空氣溫度溫差之間的關(guān)系，如圖4，可以看到在內(nèi)部對(duì)流換熱系數(shù)60W/m^2/K的情況下能夠獲得內(nèi)外溫差75℃左右的效能。

如圖5所示，通過(guò)有限元軟件仿真如下，在外界對(duì)流換熱系數(shù)為3W/m^2/K，流體溫度為-10℃的情況下，內(nèi)部發(fā)熱為50W，同樣得到內(nèi)部溫度65℃，即內(nèi)外空氣溫差75℃左右的效能。

如圖6所示，該系統(tǒng)在外界輸入高頻正弦諧波溫度信號(hào)的情況下，內(nèi)部溫度變化為一條較為緩和變化的近似正弦曲線，基于此說(shuō)明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠抵御外界較為激烈的溫度變化或較大的溫度沖擊，是一種低溫度響應(yīng)的保溫艙結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

精密激光干涉光譜儀器的干涉腔溫度環(huán)境控制技術(shù)是一種重要的技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)放大干涉腔的精確環(huán)境溫度控制，實(shí)現(xiàn)干涉光譜儀的穩(wěn)定運(yùn)行，保證一定的測(cè)量精度和穩(wěn)定度。通過(guò)“夾層式”的保溫結(jié)構(gòu)與低熱阻主動(dòng)換熱窗口能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)低溫度響應(yīng)與精確溫度控制。

（1）基于本文選定及設(shè)計(jì)的保溫夾層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外溫差75℃的巨大溫差，在普通工況下（外部氣溫非極端熱或冷），即內(nèi)部?jī)H用很小的能量既能控制腔內(nèi)溫度達(dá)到要求。

（2）在外界高頻正弦諧波變化溫度輸入的情況下，系統(tǒng)具備增加溫度變化周期、減小溫度變化幅度的能力，雖然在一定程度下增加溫度變化作用的持續(xù)時(shí)間，但低頻、長(zhǎng)周期、低幅度的溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響是較低的，因此實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低溫度敏感的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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