CN103926023B - 一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法，本发明热流传感器底座上固定有支架，支架上设有上盖，上盖下表面设有上绝缘层，底座上表面设有下绝缘层，上绝缘层和下绝缘层上均固定有热电偶，且两个热电偶的一端均自所述支架向外引出，两个热电偶的另一端通过连接导线连接；连接导线外包覆有热障层，且热障层上下底面分别与上绝缘层和下绝缘层接触。本发明热流传感器具有耐高温和适合大热流测试的特点；采用温差热电偶的热电功能设计形式，巧妙的利用热障层的阻热性质形成热电偶的温差区域，该温差区域用于热流信号的测试，提高了热流传感器的精度，避免了传统热流传感器利用温度反推热流密度的繁复演算和不准确性。

Description

一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热流传感器,特别是一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法。

背景技术

热流传感器在科学研究、航空航天、动力工程等方面有广泛的应用，传统的热流传感器制备工艺复杂且设备昂贵，不符合热流传感器产业化的制备封装简单、整体成本较低的需求。同时传统的热流传感器受限于材料的选择及封装工艺的困难，在高温大热流环境下不能满足较长时间测量的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法，满足在高温大热流环境下进行较长时间测量的要求，提高热流传感器的测试精度，避免传统热流传感器利用温度反推热流密度的繁复演算和不准确性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于高温大热流测量的热流传感器，包括底座，所述底座上固定有支架，所述支架上设有上盖，所述上盖下表面设有上绝缘层，所述底座上表面设有下绝缘层，所述上绝缘层和下绝缘层上均固定有热电偶，且两个热电偶的一端均自所述支架向外引出，两个热电偶的另一端通过连接导线连接；所述连接导线外包覆有热障层，且所述热障层上下底面分别与上绝缘层和下绝缘层接触。

所述两个热电偶靠近所述上绝缘层和下绝缘层的一端均折弯成半圆形，以增加热电偶与绝缘层之间的接触面积，提高测试精度。

所述热障层上下底面分别覆盖所述两个热电偶的半圆形部分。

所述上绝缘层和下绝缘层的材料均为Al₂O₃或SiO₂，所述上绝缘层和下绝缘层的厚度均为1—3μm。

所述热电偶材料为镍铬-镍硅的K型热偶材料、铂铑13-铂的R型热偶材料、铂铑10-铂的S型热偶材料、铂铑30-铂铑6的B型热偶材料中的一种。

所述上绝缘层和下绝缘层的位置相对，且所述上绝缘层和下绝缘层两端分别对齐，使得制作更加简单，更加方便计算热流密度。

所述两个热电偶的半圆形部分分别固定在所述上绝缘层和下绝缘层的中部，且所述两个热电偶的半圆形部分位置相对，更加方便计算热流密度。

所述下绝缘层上还设有测温热电偶，用于热流传感器工作时同步测量温度信号，实时监控热流传感器工作工程中的温度。

本发明还提供了一种上述用于高温大热流测量的热流传感器的制备方法，该方法为：

1）对上盖和底座表面进行超声清洗；

2）采用热氧化的方式在传感器的上盖和底座表面制备1—3μm厚的SiO₂或Al₂O₃绝缘薄膜；

3）在上盖下表面和底座上表面绝缘薄膜的中心部位利用高温无机胶粘附一端弯曲成半圆形的热电偶丝；

4）利用连接导线将两个热电偶丝半圆形的一端连接起来，使两个热电偶丝组成用于测量上盖与底座之间的温差信号温差热电偶；

5）在连接导线外包覆热障层材料，形成热障层；

6）在底座上表面的绝缘薄膜上粘贴测温热电偶，保证测温热电偶不被热障层覆盖；

7）在底座上焊接支架，将上盖焊接在支架顶端，且底座、支架、上盖之间形成密闭空间；焊接时保证上盖下表面和底座上表面的热电偶半圆形部分在竖直平面对齐，且热障层高度与上盖和底座之间的距离匹配。

所述SiO₂或Al₂O₃绝缘薄膜厚度为2μm。

本发明的热流传感器高温环境下测量热流的原理为：（1）根据热传导方程当热流矢量方向与等温面垂直，则有：

。

式中：q为热流密度；dT/dX为垂直于等温面方向的温度梯度；k为材料的导热系数；如果温度为T₁和T₂的两个等温面平行时：根据模型计算得出：

。

其中ΔT为两等温面温差；ΔX为两等温面之间的距离。

（2）热流通过热流传感器上盖及底座时，传感器的信号输出V_t与热障层的温差及赛贝克系数S_e的关系为： 。

根据热流密度与信号输出的关系，热流密度表述为：

。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明热流传感器具有耐高温和适合大热流测试的特点；采用温差热电偶的热电功能设计形式，巧妙的利用热障层的阻热性质形成热电偶的温差区域，该温差区域用于热流信号的测试，提高了热流传感器的精度，避免了传统热流传感器利用温度反推热流密度的繁复演算和不准确性。本发明热流传感器制备工艺简单易行，封装形式可靠，在热流传感器的产业化方面具有极大的优势。

附图说明

图1为本发明的一实施例热流传感器的剖面示意图；

图2为本发明的一实施例热流传感器上盖内侧表面的结构示意图；

图3为本发明的一实施例热流传感器底座内侧表面的结构示意图；

图4为本发明的一实施例热流传感器温差热电偶的空间示意图；

图5为本发明的一实施例热流传感器在恒定热流作用下的电压信号随示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括上盖1、底座2、热电偶9及热障层5等部分。所述上盖1下表面镀有上绝缘层6，所述上绝缘层6中心部位粘附一端折弯成半圆状的热电偶9；所述底座2上表面镀有下绝缘层3，所述下绝缘层3中心部位粘附另一个一端折弯成半圆状的热电偶9；所述上绝缘层6上的热电偶与下绝缘层3上的热电偶半圆状的一端通过连接导线7连接，二者形成温差热电偶，用于测量上盖与底座之间的温差信号；连接导线7外包覆热障层5材料，从而在上盖1下表面和底座2上表面之间形成测试热环境的温度梯度，为热流传感器的信号输出提供测试依据；下绝缘层3表面粘附测温热电偶10，使得本发明热流传感器工作时可同步测量温度信号。

本发明的热流传感器制备过程如下：精加工的热流传感器上盖1和底座2表面进行超声清洗，采用热氧化的方式在传感器的上盖1和底座2表面制备2μm厚度的SiO₂或Al₂O₃绝缘薄膜，之后在上盖1和底座2表面的绝缘薄膜中心部位利用高温无机胶粘附一端弯曲成半圆形的热电偶丝材料，同时保证上盖1和底座2表面的热电偶半圆形在竖直平面对齐；将两个热电偶9半圆形的一端通过连接导线7连通，使二者形成温差热电偶，用于测量上盖与底座之间的温差信号。

如图1所示，在上绝缘层6表面的热电偶与下绝缘层表面的热电偶之间填充热障层5材料，使热障层材料包覆连接导线7，该热障层材料为耐高温无机胶粘材料或高温釉料，热障层的高度与热流传感器的上盖和底座的之间的距离相同。

如图1，热流传感器的上盖与支架、底座与支架采用不锈钢焊接，形成一体化封装的热流传感器。不锈钢支架8外的侧的底座2上还开设了安装孔4，方便本发明热流传感器的安装。

如图2和图3所示，热障层5与上绝缘层6表面接触的位置位于上绝缘层表面的中心位置且覆盖热电偶半圆形一端，热障层5与下绝缘层3表面接触的位置位于下绝缘层表面的中心位置且覆盖热电偶半圆形一端，由于热障层5的体积影响整个传感器的信号响应速度，因此热障层底面只需覆盖热电偶半圆形一端即可。

如图3所示，在下绝缘层3表面制备一组测温热电偶10，用于热流传感器工作工程中传感器温度的实时监控，保证测温热电偶10不被热障层覆盖。

如图4所示，热流传感器的温差热电偶由在上绝缘层6表面及下绝缘层3表面的热电偶半圆形一端和中间的连接导线7构成。

如图5所示，热流传感器在恒定小功率热流的测试环境下，输出电压信号随时间的关系，从图中可以看出，在热流源持续施加热流的情况下，热流传感器的温差信号一直存在，热流传感器的电压信号随时间基本保持在恒定值，表明本发明的热流传感器可以长时间地工作。

Claims (9)

1.一种用于高温大热流测量的热流传感器，包括底座（2），其特征在于，所述底座（2）上固定有支架（8），所述支架（8）上设有上盖（1），所述上盖（1）下表面设有上绝缘层（6），所述底座（2）上表面设有下绝缘层（3），所述上绝缘层（6）和下绝缘层（3）上均固定有热电偶（9），且两个热电偶（9）的一端均自所述支架（8）向外引出，两个热电偶的另一端通过连接导线（7）连接；所述连接导线（7）外包覆有热障层（5），且所述热障层（5）上下底面分别与上绝缘层（6）和下绝缘层（3）接触；所述上绝缘层（6）和下绝缘层（3）的材料均为Al₂O₃或SiO₂，所述上绝缘层（6）和下绝缘层（3）的厚度均为1—3μm。

2.根据权利要求1所述的用于高温大热流测量的热流传感器，其特征在于，所述两个热电偶（9）靠近所述上绝缘层（6）和下绝缘层（3）的一端均折弯成半圆形。

3.根据权利要求2所述的用于高温大热流测量的热流传感器，其特征在于，所述热障层（5）上下底面分别覆盖所述两个热电偶（9）的半圆形部分。

4.根据权利要求3所述的用于高温大热流测量的热流传感器，其特征在于，所述热电偶材料为镍铬-镍硅的K型热偶材料、铂铑13-铂的R型热偶材料、铂铑10-铂的S型热偶材料、铂铑30-铂铑6的B型热偶材料中的一种。

5.根据权利要求4所述的用于高温大热流测量的热流传感器，其特征在于，所述上绝缘层（6）和下绝缘层（3）的位置相对，且所述上绝缘层（6）和下绝缘层（3）两端分别对齐。

6.根据权利要求5所述的用于高温大热流测量的热流传感器，其特征在于，所述两个热电偶（9）的半圆形部分分别固定在所述上绝缘层（6）和下绝缘层（3）的中部，且所述两个热电偶（9）的半圆形部分位置相对。

7.根据权利要求6所述的用于高温大热流测量的热流传感器，其特征在于，所述下绝缘层（3）上还设有测温热电偶（10）。

8.一种权利要求7所述的用于高温大热流测量的热流传感器的制备方法，其特征在于，该方法为：

1）对上盖（1）和底座（2）表面进行超声清洗；

2）采用热氧化的方式在传感器的上盖（1）和底座（2）表面制备1—3μm厚的SiO₂或Al₂O₃绝缘薄膜；

3）在上盖（1）下表面和底座（2）上表面绝缘薄膜的中心部位利用高温无机胶粘附一端弯曲成半圆形的热电偶丝；

4）利用连接导线（7）将两个热电偶丝半圆形的一端连接起来，使两个热电偶丝组成用于测量上盖与底座之间的温差信号温差热电偶；

5）在连接导线（7）外包覆热障层材料，形成热障层（5）；

6）在底座（7）上表面的绝缘薄膜上粘贴测温热电偶（10），保证测温热电偶（10）不被热障层（5）覆盖；

7）在底座（2）上焊接支架（8），将上盖（1）焊接在支架（8）顶端，且底座（2）、支架（8）、上盖（1）之间形成密闭空间；焊接时保证上盖（1）下表面和底座（2）上表面的热电偶半圆形部分在竖直平面对齐，且热障层（5）高度与上盖（1）和底座（2）之间的距离匹配。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述SiO₂或Al₂O₃绝缘薄膜厚度为2μm。