CN106768493B - 一种串联供电的薄膜热阻式热流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热流测量的串联供电的双层热阻式热流传感器，其主体结构呈膜状或薄片状，为四层叠加形式，最下层为片状基体，从下至上依次为下受感部层、热阻层和上受感部层。两个受感部层、导线和热阻层均为膜状，两个受感部均为四线制热电阻传感器，其供电导线串联，采用同一个恒流电源串联供电，热阻层厚度和导热率已知。测量时，将热流计贴在被测物体表面，分别测得两个受感部的温度，通过温度差、热阻层的厚度和导热率，便可以计算得到垂直于被测物体表面的热流量。由于两个热电阻传感器采用同一个恒流电源串联供电，不但可以减少一个电源，还能有效避免供电电源误差对测量造成的不利影响，明显提高热流测量的精度。

Description

一种串联供电的薄膜热阻式热流传感器

技术领域

本发明属于热流传感器技术领域，具体涉及一种薄膜热阻式热流传感器，用于热流密度的测量，传感器的两个受感部为热电阻，采用恒流源串联供电，可以有效提高测量的精度。

背景技术

热流传感器是测量热传递(热流密度或热通量)的基本工具，是构成热流计的最关键器件。根据测量原理，热流传感器可分为热阻式、圆箔式、2∏辐射式等，其中热阻式热流传感器是应用最普遍的一种。这类传感器的原理是：当有热流通过热流传感器时，在传感器的热阻层上产生温度梯度，热阻层的正反两面产生温差，通过温差、材料厚度和导热系数，便可以换算得到垂直于热阻层的热流密度。

一个典型的热阻式热流传感器通常具有膜状或片状的热阻层，在热阻层的正反两面分别安排一个受感部用于测量温度，使用时将传感器贴片安装在被测物体表面，当热流穿过传感器贴片时，两个受感部便可以测得相应的温差，最后根据事先标定的系数换算得到垂直于贴片壁面的热流密度值。

热阻式热流传感器的受感部可以采用热电偶、热电堆或热电阻，上述受感部各有其优势与不足之处：

1.热电偶受感部的主要优点是不需要供电，测量简单，但是热电偶的精度通常较低，因为两个受感部的温差不大，测温误差反映到热流结果上会进一步放大，导致传感器精度偏低。

2.热电堆是多个热电偶串联构成的，单个热电偶的热电势通过串联可以有效放大，从而提高测量的精度。但是由于集成多个热电偶，热电堆制造成本较高，而且尺寸通常较大，测得的热流实际上是整个热电堆所占区域的平均值，空间分辨率较低。

3.热电阻尤其是铂电阻的测量精度较高，但是需要供电,并且对供电质量要求高(因为一般采用恒流电源，固定电流通过铂电阻在其两端产生电压，使用者通过电压表测量电压值便可计算得到铂电阻的电阻值，如果恒流电源精度低或不稳定，就会导致产生的电压值误差大)，否则也会对测量精度有不利影响。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，为了进一步提升热流传感器的性能，本发明提出了一种使用串联供电的，受感部均采用热电阻测温的热阻式热流传感器，本发明具有较高的测量精度，并降低了对供电电源的要求。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：

一种串联供电的薄膜热阻式热流传感器，主体结构呈膜片状，包括一传感器基体、一下受感部层、一热阻层和一上受感部层，其特征在于，所述下受感部层、热阻层和上受感部层依次贴附到传感器基体上，其中，

所述上受感部层、下受感部层分别包括测温热电阻，所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻位于热阻层两侧对应的位置，不得发生位置偏差；

所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻各有两条信号导线，用于测量测温热电阻两端的电压信号；

所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻各有两条供电导线，并公用一个恒流供电电源，电源导线正极接入一个测温热电阻的正极，该测温热电阻负极通过供电导线连通另一个测温热电阻的正极，另一个测温热电阻的负极通过供电导线连通电源的负极，形成一个串联回路。

优选的，所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻分别通过其信号导线连接一电压测量仪。

优选的，所述热流传感器在使用时，传感器基体贴附到被测物体表面，通过测量上受感部层的测温热电阻两端的电压V₁、下受感部层的测温热电阻两端的电压V₂、串联回路的电流I，以及热阻层的厚度ΔX和热导率参数λ，上受感部层测温热电阻的温度系数K₁、零度时的电阻值R₁₀，下受感部层测温热电阻的温度系数K₂、零度时的电阻值R₂₀，利用以下数学式计算被测物体表面的热流密度q：

优选的，所述测温热电阻采用弯曲回环的形状，以保证有较大的电阻值，提高传感器输出的信号强度。

优选的，所述两个测温热电阻均构成了四线制结构，与二线制热电阻相比可有效提高测温精度。

进一步的，所述传感器基体由绝缘材料制成膜片状，厚度均匀，表面光滑无缺陷。

进一步的，所述热阻层采用镀膜工艺制造，采用绝缘并具有较大的热阻率的材料如二氧化硅，成膜均匀致密，各处厚度均匀，表面光滑无缺陷。为避免热量穿透过快，两侧受感部温差太小，应采用较厚的镀膜厚度。

进一步的，所述测温热电阻采用镀膜工艺制造，材料采用高纯度的镍、铂等金属，成膜均匀致密，各处厚度均匀，表面光滑无缺陷。为提高信号强度，提升电阻值，应采用较薄的镀膜厚度。

进一步的，所述测温热电阻的导线采用镀膜工艺制造，材料可采用较高纯度铜、金、银等材料，为了减少信号导线的电阻值，应采用较宽的线宽与较厚镀膜厚度。

进一步的，连接第一个热电阻负极和第二个热电阻正极的电源导线，会导致部分热量未通过热阻层直接从导线传递，从而导致传感器的模型不准确，在制作该段导线时应采用较窄的线宽，这样可以减小其截面积，从而减少传导的热量。

进一步的，传感器制作完毕后，上方可额外镀一层保护膜，可减少热量通过导线传导至受感部，同时对上受感部起到保护作用。保护膜可以采用与热阻层相同的材料，但是镀膜厚度应尽量薄。保护膜并非必须的，并且会削弱传感器的灵敏度和响应速度，应根据实际使用情况确定是否制作。

下文结合热阻式热流计原理和误差分析介绍本发明的技术方案：

根据傅立叶定律可以得到穿过热阻型热流传感器的热流密度，设热流矢量方向与等温面垂直：

q＝dQ/dS＝-λdT/dX (1)

(1)式中：q为热流密度；dQ为流过的热量，dS为等温面上微小面积；T为温度，X为垂直于等温面方向的长度，dT/dX为垂直与等温面方向的温度梯度，λ为热阻层材料的导热系数。当热流传感器的热阻层厚度与材料十分均匀，且尺寸大小足够小时，可以认为热阻层的两侧面是温度为T和T+ΔT的两个等温面，且保持平行，此时(1)可以简化为：

q＝-λΔT/ΔX＝-λ(T₁-T₂)/ΔX (2)

式中：ΔT为热阻层两侧受感部的温差，T₁和T₂分别是热阻层两侧受感部测得的温度，ΔX是热阻层的厚度。

根据式(2)，只要知道热阻层的厚度ΔX，导热系数λ，通过测到的温度T₁和T₂就可以知道热流密度。热阻式热流传感器在热阻层的正反两面各布置一个受感部用于测温，只要两个受感部厚度相对于热阻层足够薄并且位置正对，其物理模型便可以满足式(2)。

如果受感部采用测温热电阻，那么在热电阻的线性范围以内，测得的温度表达式如(3)和(4)式：

T₁＝K₁(R₁-R₁₀)＝K₁(V₁/I₁-R₁₀) (3)

T₂＝K₂(R₂-R₂₀)＝K₂(V₂/I₂-R₂₀) (4)

式中下标1和2分别代表热阻层两侧的测温热电阻，T为测得温度，K为热电阻温度系数,V为电压表测得的测温热电阻两端电压，I为测温热电阻供给的恒流电源电流值，R₀为零度时测温热电阻的电阻值。

将(3)和(4)代入(2)中，可以得到：

根据误差传播定理，间接测量值的误差可以由直接测量误差合成。假设有间接测量值Y：

Y＝f(X₁,X₂,...,X_n) (6)

Y的标准误差σ_Y与各直接测量量的绝对标准σ_X的关系为：

下面根据(5)式对测得的热流结果q进行误差分析对比：分析对象是本发明所提出的串联供电的薄膜热阻式热流传感器，简写为A；对比对象是传统的，两路测温热电阻分别供电的热流传感器，简写为B。考虑到A与B两种情况唯一的区别在于供电电流I的影响，为了简化分析对比过程，下面只考虑I的影响项目，忽略其他直接测量量，那么有：

A情况采用串联供电，两个测温热电阻的供电电流值完全相同，误差也相同，考虑到实验室会采用统一规格的供电电源，(5)式可进一步简化为：

那么A情况下热流结果的标准差为：

而B情况下，因为一般实验会采用同规格的电源，也可以认为两个测温热电阻的供电电流值相同,但其误差需要分别考虑。B情况下热流结果的标准差为：。

考虑到试验时，供电电源会采用同型号产品，可以认为|σ_I1|＝|σ_I2|＝|σ_I|，(11)式可以简化为：

对比(10)和(12)，显然A情况下热流的标准差σ_qA要小于B情况σ_qB，在实际工作中，两个测温传感器的温度十分接近，可以认为K₁V₁和K₂V₂的值十分接近，由此可知σ_qA要远远小于σ_qB。所以可以认为，本发明削弱了供电电源误差对测量结果的不利影响，降低了对电源的要求，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明的串联供电的薄膜热阻式热流传感器的剖面示意图；

图2为本发明的热流传感器中传感器下受感部的结构示意图；

图3为本发明的热流传感器中热阻层结构示意图；

图4为本发明的热流传感器中传感器上受感部的结构示意图；

图5为本发明的热流传感器与仪表和电源的接线示意图；

图6为本发明的热流传感器用于涡轮叶片表面热流密度测量时的安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

除非另外限定，文中所用的技术和科学用语均具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解到的相同含义。如本文所用，用语“上”，“下”表示相对于被测物体壁面的方向，以被测物体壁面为最下方。用语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要程度，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。另外，用语“一”和“一个”并不表示限制数量，而是表示存在所涉及物件中的至少一个。如果公开了范围，则涉及相同构件或性质的所有范围的端点都为包含性的，且可独立地相结合。结合数量使用的修饰语“大约”包含声称值，且具有上下文所指示的含义(例如，包括与具体数量的测量相关的误差程度)。

如图1所示，本发明的串联供电的薄膜热阻式热流传感器，其主体结构呈膜状或薄片状，为四层叠加形式，从下至上依次包括传感器基体2、下受感部层3、热阻层4和上受感部层5，根据实际需要，也可以在上受感部层5的外表面设置保护膜6。传感器基体2为光滑片状结构，下受感部层3、热阻层4和上受感部层5使用镀膜工艺依次贴附到传感器基体2上。

本发明的串联供电的薄膜热阻式热流传感器在使用时，传感器基体2贴在被测物体壁面1上，当被测物体壁面1为平面时，传感器基体2可以使用硬质材料如陶瓷制作，使用时使用胶或者卡具安装到被测问题壁面1上。通过上受感部层5、下受感部层3测得的温度差，以及热阻层4的厚度和热导率参数，可以换算得到被测物体壁面1上的热流密度。

图2为下受感部层3的结构示意图。下受感部层3包括下层测温热电阻35，下层测温热电阻35的两端设置有连接测电压仪表的信号导线31、32，并且下层测温热电阻35的一端还设置有连接电源正极的供电导线33，另一端还设置有连接上受感部层5中的上层测温热电阻的供电导线引出端34，为了保证热电阻有足够大的电阻值，下层测温热电阻35采用了弯曲回环的结构以增加其长度。下受感部层3中的下层测温热电阻35及其两端的信号导线31、32、供电导线33、34等均贴附在传感器基体2上。

图3为热阻层4的结构示意图。热阻层4设置在下受感部层3和上受感部层5之间，图中为了表明下层热电阻结构，热阻层4被表示为半透明阴影。热阻层4完全覆盖下受感部层3的下层测温热电阻35及其两端的信号导线31、32和供电导线33、34的一部分，为了方便连接测电压仪表，信号导线31、32的末端部未被热阻层4覆盖；同样，为了方便连接电源正极，同时为了方便与上层测温热电阻供电导线的连接，连接电源正极的供电导线33的末端部以及连接上层测温热电阻的供电导线引出端34也未被热阻层4覆盖。

图4为上受感部层5的结构示意图。与图3不同，本图中的热阻层4被表示为不透明阴影。上受感部层5设置在热阻层4的上表面，同下受感部层3的结构类似，上受感部层5也包括上层测温热电阻55，上层测温热电阻55的两端设置有连接测电压仪表的信号导线51、52，并且上层测温热电阻55的一端还设置有连接电源负极的供电导线53，另一端还设置有连接下受感部层3中的下层测温热电阻的供电导线引出端54，为了保证热电阻有足够大的电阻值，上层测温热电阻55也采用了弯曲回环的结构以增加其长度。上受感部层5中的上层测温热电阻55及其两端的信号导线51、52、供电导线53、54等均贴附在热阻层4上。

图4中31、32为下层热电阻连接测电压仪表的信号导线，33为下层热电阻连接电源正极的供电导线，34、54为上下测温热电阻串联供电导线的连接，51、52为上层热电阻连接测电压仪表的信号导线，53为上层热电阻连接电源负极的供电导线，55为上层测温热电阻。可以看到整个传感器有31、32、33、51、52、53六条导线，分别连接两个电压仪表的正负极和直流电源的正负极，导线末端金属部分裸露，通过导电胶、插头或其他方式与外部导线连接。

图5为本发明的热流传感器与仪表和电源的接线示意图。图中35为下层测温热电阻，55为上层测温热电阻，30、40为电压测量仪，50为恒流电源，图中用+和-表示仪表和电源的正负极。下层测温热电阻35的两端通过信号导线31、32连接电压测量仪30，上层测温热电阻55的两端通过信号导线51、52连接电压测量仪40，下层测温热电阻35的一端通过供电导线33连接恒流电源50的正极，另一端通过供电导线引出端34与上层测温热电阻55的供电导线引出端54连接，上层测温热电阻55通过供电导线53连接恒流电源50的负极。

图6为本发明用于涡轮叶片表面热流密度测量时的安装示意图，图中100为热流传感器，200为被测的涡轮叶片。由于涡轮叶片表面为不规则弯曲面，传感器基体可以采用高分子材料，如聚酰亚胺膜，其具备一定的弹性可以很好的贴附在叶片表面。热流传感器100可整体制作为长条形，从而方便将导线引导至涡轮叶根处与外部导线连接。被测物体表面呈不规则弯曲形状的均可以采用类似的设计。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种串联供电的薄膜热阻式热流传感器，主体结构呈膜片状，包括一传感器基体、一下受感部层、一热阻层和一上受感部层，其特征在于，所述下受感部层、热阻层和上受感部层依次贴附到传感器基体上，其中，

所述上受感部层、下受感部层分别包括测温热电阻，所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻位于热阻层两侧对应的位置，不得发生位置偏差；

所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻的两端各有一条信号导线，所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻分别通过其两端的信号导线连接一电压测量仪，用于测量每一测温热电阻两端的电压信号；

所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻的两端还各设有一条供电导线，并公用一个恒流供电电源，电源导线正极接入一个测温热电阻的正极，该测温热电阻负极通过供电导线连通另一个测温热电阻的正极，另一个测温热电阻的负极通过供电导线连通电源的负极，形成一个串联回路；

所述热流传感器在使用时，所述传感器基体贴附到被测物体表面，通过测量所述上受感部层的测温热电阻两端的电压V₁、所述下受感部层的测温热电阻两端的电压V₂、串联回路的电流I，以及所述热阻层的厚度ΔX和热导率参数λ，所述上受感部层测温热电阻的温度系数K₁、零度时的电阻值R₁₀，所述下受感部层测温热电阻的温度系数K₂、零度时的电阻值R₂₀，利用以下数学式计算所述被测物体表面的热流密度q：

2.根据权利要求1所述的热流传感器，其特征在于，所述上受感部层和下受感部层的测温热电阻均采用弯曲回环的形状。

3.根据权利要求1所述的热流传感器，其特征在于，所述传感器基体由绝缘材料制成膜片状，厚度均匀，表面光滑无缺陷。

4.根据权利要求1所述的热流传感器，其特征在于，所述测温热电阻采用镀膜工艺制造，材料采用高纯度的镍或铂，成膜均匀致密，各处厚度均匀，表面光滑无缺陷。

5.根据权利要求1所述的热流传感器，其特征在于，传感器制作完毕后，在上受感部的上方额外镀一层保护膜，以减少热量通过导线传导至上受感部，同时对上受感部起到保护作用。