CN102353469B - 高速飞行器外表面高温在线测量装置及其制备、测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速飞行器外表面高温在线测量装置及其制备和测量方法，属于微传感器技术领域。本发明采用微加工工艺成型包含有多个薄膜热电偶的温度测量模块，将该模块内嵌于烧蚀层内，其中薄膜热电偶测温节点方向沿烧蚀层的法线方向，保证各薄膜热电偶与烧蚀层外表面的距离不同，而每个薄膜热电偶分别测量出待测点沿烧蚀层温度梯度方向上的温度，最后采用传热学烧蚀模型来推导出飞行器外表面温度。有益效果：1)采用薄膜热电偶响应时间很快，可实现实时的温度测量；2)靠近高温处的烧蚀层结构完整，对飞行器的热防护性能影响较小，此外对飞行器周围流场几乎没有影响；3)工艺过程中只需一次沉积。

Description

高速飞行器外表面高温在线测量装置及其制备、测量方法

技术领域：

本发明专利涉及一种高速飞行器外表面高温在线测量装置及测量方法，属于微传感器技术领域，特别是在对飞行器表面流场不产生影响，不会破坏飞行器本体结构的条件下，准确、快速、实时地测量外表面温度。

技术背景：

当飞行器高速飞行时，其周围的空气由于受到摩擦、压力改变和速度阻滞的影响会产生剧烈温升。高温气体的热量通过热传导和辐射等方式传给机体，而使飞行器机体温度升高，这种现象称为空气动力加热。如果产生的大量气动热来不及散发，就会引起机体表面温度急剧升高，会导致机体材料结构强度减弱、刚度降低，使飞机外形受到破坏，甚至发生灾难性的颤振。因此需要一种准确、实时地测量飞行器外表面温度的方法，为飞行器飞行过程中提供可靠的热安全防护。

常用的飞行器表面高温在线测量方法多采用嵌入式热电偶，包括铠装式和热电偶丝两种方式，但是由于测温上限和热防护的需要，它们都不能实现对外表面真实温度的测量。专利申请号为201020208123.1的国家实用新型专利“高速飞行器外表面温度测量装置”采用嵌入式铠装热电偶来测温，该方法在安装时热电偶丝与飞行器外表有一定的距离，这样测量所得到的温度并非是飞行器外表面真实温度，必须通过复杂的理论校正才能得到近似温度。而且该传感器安装时要求在飞行器机体上额外开孔和采用法兰结构，会降低飞行器的结构可靠性。

此外，专利申请号为02205585.1的国家发明专利“导弹高速热冲击试验陶瓷弹头表面瞬态温度测量装置”中，将两种材料热电偶细丝点焊在一起，用不锈钢压片压在导弹外表面凹坑内，直接暴露于高速气气流中，会对导弹表面流场产生影响。为了保证测量精度，该发明采用不锈钢弹性支架使弓形热电偶丝热结点与弹体表面充分接触，但是如果应用于飞行过程中，采用不锈钢弹性支架对弓形热电偶进行压合的可靠性很难保证。

发明内容：

为了克服现有高温测量技术在飞行器飞行过程中测量精度不高、影响流场的不足，本发明采用微加工工艺成型包含有多个薄膜热电偶的温度测量模块，将该模块内嵌于烧蚀层内，其中薄膜热电偶测温节点方向沿烧蚀层的法线方向，保证各薄膜热电偶与烧蚀层外表面的距离不同，而每个薄膜热电偶分别测量出待测点沿烧蚀层温度梯度方向上的温度，最后采用传热学烧蚀模型来推导出飞行器外表面温度。

本发明提出的高速飞行器外表面高温测量装置，包括温度测量模块，所述温度测量模块的基底为氧化铝基片1，其长度小于烧蚀层厚度h；其上依次沉积有铝金属层2和氧化铝层3；在氧化铝层3上沉积有N个薄膜热电偶4，N个薄膜热电偶4的节点沿氧化铝基片1长度方向等间距分布，其间距为Δh＝h/(N+2.5)，薄膜热电偶4上沉积有氧化铝电绝缘层5，该氧化铝电绝缘层5将所述薄膜热电偶4完全包覆；补偿导线6将各薄膜热电偶4两电极末端信号引出；烧蚀层8上待测温点位置处钻不贯通孔，所述孔高度不小于温度测量模块长度；将上述温度测量模块装配到孔内，且孔的径向与所述温度测量模块长度方向一致；用耐高温胶7填充孔与温度测量模块的缝隙；将安装好温度测量模块的烧蚀层8与机体9装配。

本发明提出的高速飞行器外表面高温测量装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将氧化铝基片1清洗并烘干，以去除杂质、油污、水汽等污染物；

步骤2：在氧化铝基片1上沉积一铝金属层2；

步骤3：将沉积铝金属层2后的氧化铝基片1进行高温氧化处理；

步骤4：在经过高温氧化后生成氧化铝层3的氧化铝基片1上旋涂光刻胶，曝光并显影；

步骤5：显影后在氧化铝基片1上沉积薄膜热电偶4其中一个电极金属层，剥离成型薄膜热电偶4一个电极；

步骤6：在沉积一个电极后的氧化铝基片1上再次旋涂光刻胶，曝光并显影；

步骤7：再次沉积薄膜热电偶4另一个电极金属层，通过剥离成型另一个电极，形成薄膜热电偶4；

步骤8：在薄膜热电偶4表面上沉积氧化铝电绝缘层5；

步骤9：采用热压结合技术将补偿导线6与薄膜热电偶4两电极连接；

步骤10：在烧蚀层8待测温度点处钻孔，将温度测量模块装配到孔内，且孔的径向与所述温度测量模块长度方向一致；用耐高温胶7将温度测量模块与孔的缝隙填充，接着把表面打磨平整后将烧蚀层8与机体9装配。

使用上述高速飞行器外表面高温测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：由烧蚀层8向机体9沿厚度方向依次编号薄膜热电偶4为1，2，…，N，其距离烧蚀层外表面的距离为h_i＝h₀+(i-1)×Δh-v·t；读取各相邻热电偶的电压值U_i，通过标定公式折算出各相邻热节点的温度值T_i，i＝1，2，…，N；

步骤：2：由烧蚀过程的传热分析有

i＝1，2，…，N，其中T₀为烧蚀层8无限厚时的稳定温度，T_S为烧蚀层8外表面温度，v为烧蚀速率，热扩散率

只与烧蚀材料的物理性质有关，λ为热传导率，ρ为材料密度，c为材料的比热；

步骤3：将各测量点的温度折算到外表面处温度，利用均值法就得到高速飞行器外表面温度T_S： $T_S=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{T_i-T_0}{\exp (\frac{v}{a}\·h_i)}+T_0).$

本发明的有益效果是：

1)相比于贴附式热电偶表面测温方法，采用薄膜热电偶响应时间很快，为几十微秒，可以实现实时的温度测量；2)采用由内到外的安装方法将薄膜热电偶嵌入烧蚀层内，则靠近高温处的烧蚀层结构完整，对飞行器的热防护性能影响较小，此外对飞行器周围流场几乎没有影响；3)将传感器在基片上沉积后将其垂直嵌入烧蚀层，可以实现多个薄膜热电偶沿烧蚀层厚度方向上的分布，测温节点沿温度梯度方向，其工艺过程中只需一次沉积。

附图说明：

图1.本发明提出的高速飞行器外表面高温在线测量装置示意图

图2.温度测量模块示意图

图3.温度测量模块工艺流程图

图中：1-氧化铝基片，2-铝金属层，3-氧化铝层，4-薄膜热电偶，5-氧化铝电绝缘层，6-补偿导线，7-耐高温胶，8-烧蚀层，9-机体。

具体实施方式：

本发明提出的高速飞行器外表面高温测量装置，包括温度测量模块及其安装，其中温度测量模块的基底为氧化铝基片1，其长度和宽度分别为15mm和7mm，；其上有沉积的铝金属层2以及氧化铝层3；在氧化铝层3上沉积有6个薄膜热电偶4，6个薄膜热电偶4的节点沿氧化铝基片1长度方向等间距分布，其间距为Δh＝17/(6+2.5)＝2mm，其上沉积有氧化铝电绝缘层5，该氧化铝电绝缘层5将薄膜热电偶4完全包覆；补偿导线6将各薄膜热电偶4两电极末端信号引出；在厚度为17mm的烧蚀层8上待测温点位置处钻不贯通孔，孔的直径为8mm，孔深16mm将上述温度测量模块装配到孔内，用耐高温胶7填充孔与温度测量模块的缝隙；将安装好温度测量模块的烧蚀层8与机体9装配。

本实施例提出的高速飞行器外表面高温测量装置的制备方法，采用铂/铂-10％铑作为薄膜热电偶的电极材料，包括如下步骤：

步骤1：将氧化铝基片1用无水乙醇和去离子水清洗，并加热到120℃烘干，以去除杂质、油污、水汽等污染物，如图3(a)；

步骤2：将氧化铝基片1放入溅射真空室，在其上溅射2微米铝金属层2，如图3(b)；

步骤3：将沉积铝金属层2后的氧化铝基片1放入高温炉管，在700℃下进行氧化处理6个小时，在其上形成一氧化铝层3，如图3(c)；

步骤4：在经过高温氧化处理后的氧化铝基片1上旋涂光刻胶，曝光并显影；

步骤5：显影后沉积200nm铂薄膜，剥离成型薄膜热电偶4的铂电极，如图3(d)；

步骤6：在沉积铂电极后的氧化铝基片1上再次旋涂光刻胶，曝光并显影；

步骤7：沉积200nm铂-10％铑薄膜，剥离成型薄膜热电偶4的另一个电极铂-10％铑电极，形成薄膜热电偶4，如图3(e)；

步骤8：在薄膜热电偶4表面上沉积一氧化铝电绝缘层5，如图3(f)；

步骤9：采用热压结合技术将补偿导线6与薄膜热电偶4两电极连接；

步骤10：在烧蚀层8上待测温度点处开槽，将温度测量模块装配到孔内，用耐高温胶7将温度测量模块与不贯通孔的缝隙填充，接着把表面打磨平整后将烧蚀层8与机体9装配。

使用上述高速飞行器外表面高温测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：由烧蚀层8向机体9沿厚度方向依次编号薄膜热电偶4为1，2，…，N，当最初开始烧蚀时，各薄膜热电偶距离烧蚀层8外表面的距离分别为h₁＝5mm，h₂＝7mm，h₃＝9mm，h₄＝11mm，h₅＝13mm，h₆＝15mm；读取各相邻薄膜热电偶的电压值分别为：U₁＝1.7249V，U₂＝2.887V，U₃＝4.4802V，U₄＝6.377V，U₅＝9.3084V，U₆＝13.931V，通过预先标定公式折算出各相邻热节点的温度值分别为：T₁＝230℃，T₂＝350℃，T₃＝500℃，T₄＝670℃，T₅＝913℃，T₆＝1256℃；

步骤2：由烧蚀过程的传热分析有

i＝1，2，…，6，其中T₀为烧蚀层4无限厚时的稳定温度，可取靠近机体薄膜热电偶的温度T₁，T_S为烧蚀层8外表面温度，经过试验测得，高硅氧/酚醛烧蚀复合材料烧蚀速率v＝100μm/s，热传导率λ＝0.018W/cm·K，材料密度ρ＝1.5g/cm³，材料的比热c＝1.531J/g·K，热扩散率

步骤3：将各测量点的温度折算到外表面处温度，利用均值法就得到高速飞行器外表面温度T_S：

Claims (3)

1.一种高速飞行器外表面高温测量装置，其特征在于：包括温度测量模块，所述温度测量模块的基底为氧化铝基片(1)，其长度小于烧蚀层厚度h；其上依次沉积有铝金属层(2)和氧化铝层(3)；在氧化铝层(3)上沉积有N个薄膜热电偶(4)，N个薄膜热电偶(4)的节点沿氧化铝基片(1)长度方向等间距分布，其间距为△h＝h/(N+2.5)，薄膜热电偶(4)上沉积有氧化铝电绝缘层(5)，该氧化铝电绝缘层(5)将所述薄膜热电偶(4)完全包覆；补偿导线(6)将各薄膜热电偶(4)两电极末端信号引出；烧蚀层(8)上待测温点位置处钻不贯通孔，所述孔高度不小于温度测量模块长度；将上述温度测量模块装配到孔内，且孔的径向与所述温度测量模块长度方向一致；用耐高温胶(7)填充孔与温度测量模块的缝隙；将安装好温度测量模块的烧蚀层(8)与机体(9)装配。

2.一种如权利要求1所述的高速飞行器外表面高温测量装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将氧化铝基片(1)清洗并烘干，以去除污染物；

步骤2：在氧化铝基片(1)上沉积一铝金属层(2)；

步骤3：将沉积铝金属层(2)后的氧化铝基片(1)进行高温氧化处理；

步骤4：在经过高温氧化后生成氧化铝层(3)的氧化铝基片(1)上旋涂光刻胶，曝光并显影；

步骤5：显影后在氧化铝基片(1)上沉积薄膜热电偶(4)其中一个电极金属层，剥离成型薄膜热电偶(4)一个电极；

步骤6：在沉积一个电极后的氧化铝基片(1)上再次旋涂光刻胶，曝光并显影；

步骤7：再次沉积薄膜热电偶(4)另一个电极金属层，通过剥离成型另一个电极，形成薄膜热电偶(4)；

步骤8：在薄膜热电偶(4)表面上沉积氧化铝电绝缘层(5)；

步骤9：采用热压结合技术将补偿导线(6)与薄膜热电偶(4)两电极连接；

步骤10：在烧蚀层(8)待测温度点处钻孔，将温度测量模块装配到孔内，且孔的径向与所述温度测量模块长度方向一致；用耐高温胶(7)将温度测量模块与孔的缝隙填充，接着把表面打磨平整后将烧蚀层(8)与机体(9)装配。

3.一种使用如权利要求1所述的高速飞行器外表面高温测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：由烧蚀层(8)向机体(9)沿厚度方向依次编号薄膜热电偶(4)为1，2，…，N，其距离烧蚀层外表面的距离为h_i＝h₀+(i-1)×△h-v·t；读取各相邻热电偶的电压值U_i，通过标定公式折算出各相邻热节点的温度值T_i，i＝1，2，…，N；

步骤：2：由烧蚀过程的传热分析有

i＝1，2，…，N，其中T₀为烧蚀层(8)无限厚时的稳定温度，T_s为烧蚀层(8)外表面温度，v为烧蚀速率，热扩散率

只与烧蚀材料的物理性质有关，λ为热传导率，ρ为材料密度，c为材料的比热；

步骤3：将各测量点的温度折算到烧蚀层(8)外表面温度T_s：

$T_S=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{T_i-T_0}{\exp (\frac{v}{a}\·h_i)}+T_0).$

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