CN107063490A - 一种用于测量表面瞬态温度的传感器及其制备工艺 - Google Patents

一种用于测量表面瞬态温度的传感器及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量表面瞬态温度的传感器及其制备工艺，其包括感温元件、双孔陶瓷柱、保护套筒以及补偿导线；其中感温元件包括陶瓷基体、相互平行嵌入于所述陶瓷基体内的金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二、沉积于所述陶瓷基体端面上并与所述金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二搭接形成热接点薄膜的功能薄膜以及沉积于所述功能薄膜表面的绝缘保护薄膜；所述保护套筒与感温元件之间密封且使得所述金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二之间通过所述双孔陶瓷柱绝缘；所述补偿导线与保护套筒之间密封。本发明具有传感器结构简单、安装方便、动态响应时间为毫秒级、测温范围为50℃～600℃，能够满足表面瞬态温度测量的要求等优点。

Description

一种用于测量表面瞬态温度的传感器及其制备工艺
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体的说是涉及一种用于测量表面瞬态温度的传感器及其制备工艺。
背景技术
温度传感器在冶金建材、热能工程、动力机械、航空航天等多种领域有广泛的应用，随着科学技术的不断进步，温度传感器的发展方向趋向于高温快速响应方面，尤其是测量表面瞬态温度的传感器具有重要的应用价值。其中热电偶是温度测量中最简单、最常用的温度传感器，传统的热电偶温度传感器由于受材料线径大小的限制，已难以进一步减小热接点体积，而热接点体积的大小直接影响着传感器的响应时间的快慢，所以传统的热电偶传感器热容量大，响应速度慢，难以实现对表面瞬态温度的测量。
而薄膜热电偶具有热接点体积小、热容量小、响应速度快等优点，因此在瞬态温度测量中占有非常重要的地位。同时薄膜热电偶输出的热电势一般在毫伏级，两个热电极之间、补偿导线之间以及热电偶和基体之间均要求具有良好的绝缘性，否则会由于热电势损耗而产生测量误差，严重时甚至会导致测量无法进行。但是现有的薄膜热电偶均不能满足上述要求。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种用于测量表面瞬态温度的传感器，其具有传感器结构简单、安装方便、动态响应时间为毫秒级、测温范围50℃～600℃，能够满足表面瞬态温度测量的要求等优点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种用于测量表面瞬态温度的传感器，其特征在于，包括：
感温元件、双孔陶瓷柱、保护套筒以及补偿导线；其中所述感温元件包括陶瓷基体、相互平行嵌入于所述陶瓷基体内的金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二、沉积于所述陶瓷基体端面上并与所述金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二搭接形成热接点薄膜的功能薄膜以及沉积于所述功能薄膜表面的绝缘保护薄膜；所述保护套筒与感温元件之间密封且使得所述金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二之间通过所述双孔陶瓷柱绝缘；所述补偿导线与保护套筒之间密封。
进一步的，作为本发明的优选
所述金属丝式平行电极一为NiCr合金材料，所述金属丝式平行电极二为NiSi合金材料。
进一步的，作为本发明的优选
所述功能薄膜为NiSi合金材料；所述绝缘保护薄膜为SiO2材料。
进一步的，作为本发明的优选
所述陶瓷基体采用金属陶瓷。
进一步的，作为本发明的优选
所述保护套筒上设置有锥形螺纹安装结构。
本发明的另一目的是要提供一种用于制备上述传感器的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将金属丝式电极一以及金属丝式电极二平行穿入双孔陶瓷柱内；
步骤2、在所述金属丝式电极一以及金属丝式电极二任意一端的表面均涂覆一层具有一定厚度的作为过渡瓷层用的金属陶瓷并进行高温烧结；
步骤3、在所述金属丝式电极一以及金属丝式电极二已经过高温烧结的表面再次涂覆一层具有一定厚度的作为基体瓷层用的金属陶瓷，并将其再次进行高温烧结以使得所述过渡瓷层以及所述基体瓷层烧结后形成陶瓷基体；
步骤4、上述带有双孔陶瓷柱以及陶瓷基体的金属丝式电极一以及金属丝式电极二一并穿入保护套筒内并用耐高温无机胶I将保护套筒与陶瓷基体相接触的一端绝缘密封；
步骤5、对所述陶瓷基体的端面进行打磨并抛光；
步骤6、用磁控溅射方式在陶瓷基体被抛光的端面沉积功能薄膜；
步骤7、用磁控溅射方式在已沉积功能薄膜的表面沉积绝缘保护薄膜；
步骤8、将补偿导线的正负极和金属丝式电极一以及金属丝式电极二的正负极相对应缠结，然后用耐高温无机胶II绝缘将其密封在保护套筒内；
步骤9、在保护套筒上设置螺纹安装结构。
进一步的，作为本发明的优选
所述双孔陶瓷管为刚玉管，所述保护套筒为304不锈钢材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明具有结构简单、安装方便、动态响应时间为毫秒级，测温范围为50℃～600℃等优点，其适用于柴油机活塞表面瞬态温度的测量以及激波风洞模型表面温度的测量。
附图说明
图1为本发明所述的用于测量表面瞬态温度的传感器整体结构示意图；
图2a为图1中的A处的局部剖视图；
图2b为图1中的B处的局部剖视图；
图3为本发明所述传感器的制备工艺流程图；
图4为本发明所述传感器进行活塞测温示意图；
图5为本发明所述传感器表面测温示意图。
图中：1、绝缘保护薄膜，2、功能薄膜，3、陶瓷基体，4、金属丝式电极一，5、金属丝式电极二，6、耐高温无机胶I，7、双孔陶瓷柱，8、保护套筒，9、锥形螺纹安装，10、耐高温无机胶II，11、补偿导线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明设计了一种用于测量表面瞬态温度的传感器，其主要包括感温元件、双孔陶瓷柱、带有螺纹安装结构的保护套筒以及补偿导线。
其中，如图1—图2a、图2b所示，所述感温元件包括陶瓷基体、两个相互平行的电极即金属丝式电极一以及金属丝式电极二、作为热接点薄膜的功能薄膜和绝缘保护薄膜；两个相互平行的金属丝式电极一以及金属丝式电极二平行地嵌入陶瓷基体内，构成平行电极，在陶瓷基体端面沉积一层功能薄膜，该功能薄膜与平行电极搭接形成热接点薄膜，最后在功能薄膜表面沉积一层绝缘保护薄膜；所述感温元件与保护套筒之间采用耐高温无机胶I密封，两个平行的电极之间及其与保护套筒之间采用双孔陶瓷柱绝缘，补偿导线与保护套筒之间采用耐高温无机胶II绝缘密封，且在保护套筒上设置锥形螺纹安装结构。
优选的，所述金属丝式平行电极一采用NiCr合金材料，所述金属丝式平行电极二采用NiSi合金材料；所述功能薄膜采用NiSi合金材料，其厚度为800nm，所述绝缘保护薄膜采用SiO2材料，其厚度为1μm；所述陶瓷基体采用金属陶瓷，如型号为VITA VMK 95的金属陶瓷；所述双孔陶瓷管为刚玉管，所述保护套筒为304不锈钢材料；所述耐高温无机胶为双键DB5012耐高温无机胶；所述补偿导线为与金属丝式电极一、金属丝式电极二相同材料的热电偶补偿导线；所述保护套筒上设置锥形螺纹安装结构。另镍铬-镍硅(NiCr/NiSi)合金是一组应用广泛的廉价金属热电偶材料，可长期在900℃下使用，短期使用的最高温度可达1200℃，高温下的抗氧化能力及抗腐蚀能力都很强，而且具有热电特性线性度好、灵敏度高等特点。
本发明的另一目的是要提供一种用于制备上述传感器的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、按要求将金属丝式电极一以及金属丝式电极二平行穿入双孔陶瓷柱内；
步骤2、在所述金属丝式电极一以及金属丝式电极二任意一端的表面均涂覆一层厚度为0.1～0.3mm的作为过渡瓷层的金属陶瓷并放入真空烤瓷炉进行高温烧结；
步骤3、在所述金属丝式电极一以及金属丝式电极二已经过高温烧结的表面再次涂覆一层具有一定厚度的作为基体瓷层的金属陶瓷，其直径略大于保护套管的内径，并将其再次放入真空烤瓷炉进行高温烧结以使得所述过渡瓷层以及所述基体瓷层烧结后形成陶瓷基体；
步骤4、上述带有双孔陶瓷柱以及陶瓷基体的金属丝式电极一以及金属丝式电极二一并穿入保护套筒内并用耐高温无机胶I将保护套筒与陶瓷基体相接触的一端绝缘密封；
步骤5、对所述陶瓷基体的端面用砂纸进行打磨并在抛光机上抛光；
步骤6、在高真空镀膜机中，用磁控溅射方式在陶瓷基体被抛光的端面沉积功能薄膜；
步骤7、在高真空镀膜机中，用磁控溅射方式在已沉积功能薄膜的表面沉积绝缘保护薄膜；
步骤8、将补偿导线的正负极和金属丝式电极一以及金属丝式电极二的正负极相对应缠结，然后用耐高温无机胶II绝缘将其密封在保护套筒内；
步骤9、在保护套筒上设置锥形螺纹安装结构。
进一步的，作为本发明的优选
所述双孔陶瓷管为刚玉管，所述保护套筒为304不锈钢材料；所述耐高温无机胶I以及耐高温无机胶II均为双键DB5012耐高温无机胶；所述补偿导线为与金属丝式电极一、金属丝式电极二相同材料的热电偶补偿导线。
传感器制备工艺实施例：首先，将双孔陶瓷柱7、金属丝式电极一4、电极二5和保护套筒8依次用酒精和蒸馏水在超声波清洗机中分别清洗15min，除去其表面附着的杂质，然后按要求将两个电极平行地穿入双孔陶瓷柱7，其中双孔陶瓷柱的直径为3mm，长度为50mm，如图3中的(a)所示；在已清洗的平行电极表面用陶瓷刷涂覆一层厚度为0.1～0.3mm的过渡瓷层，放入真空烤瓷炉中在940℃下进行高温烧结10min，如图3中的(b)所示；在已烧结过渡瓷层的平行电极表面再次用陶瓷刷涂覆一层基体瓷层，使其直径为3～4mm，长度为8～10mm，放入真空烤瓷炉中在940℃下进行高温烧结10min，过渡瓷层和基体瓷层烧结后形成陶瓷基体3，陶瓷基体的直径略大于保护套筒8的内径，保护套筒8内径为3mm，外径为4mm，长度为50mm，如图3中的(C)所示；将所述双孔陶瓷柱7和已嵌入平行电极的陶瓷基体穿入保护套筒8，用耐高温无机胶I 6将其与保护套筒8绝缘密封，如图3中的(d)所示；将所述陶瓷基体的端面依次用型号为600目、800目、1000目、1200目、1500目、2000目的砂纸打磨，然后在抛光机上依次用型号为W1.5、W1.0、W0.5的金刚石抛光膏抛光，如图3中的(e)所示；将各元件固定在高真空镀膜机的载物台上，用磁控溅射方式在陶瓷基体的抛光表面沉积NiSi功能薄膜2，该NiSi功能薄膜2厚度为800nm，如图3中的(f)所示；在高真空镀膜机中用磁控溅射的方式在已沉积NiSi功能薄膜2的表面沉积SiO2绝缘保护薄膜1，其中SiO2绝缘保护薄膜1厚度为1μm，如图3中的(g)所示，局部放大图如图2(a)所示；将补偿导线11的正负极和平行电极的正负极相对应缠结，用耐高温无机胶II10将其绝缘密封在保护套管8中，如图3中的(h)所示，局部放大图如图2(b)；最后，在保护套管8上设置锥形螺纹安装结构9，锥形螺纹采用NPT螺纹标准。
上述传感器适用于柴油机活塞表面瞬态温度的测量以及激波风洞模型表面温度的测量，如图4-图5所示,其中，图5中的C表示进行表面温度测量，D表示进行内部温度测量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于测量表面瞬态温度的传感器，其特征在于，包括：
感温元件、双孔陶瓷柱、保护套筒以及补偿导线；其中所述感温元件包括陶瓷基体、相互平行嵌入于所述陶瓷基体内的金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二、沉积于所述陶瓷基体端面上并与所述金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二搭接形成热接点薄膜的功能薄膜以及沉积于所述功能薄膜表面的绝缘保护薄膜；所述保护套筒与感温元件之间密封且使得所述金属丝式平行电极一和金属丝式平行电极二之间通过所述双孔陶瓷柱绝缘；所述补偿导线与保护套筒之间密封。
2.根据权利要求1所述的用于测量表面瞬态温度的传感器，其特征在于：
所述保护套筒上设置有锥形螺纹安装结构。
3.根据权利要求1所述的用于测量表面瞬态温度的传感器，其特征在于：
所述金属丝式平行电极一为NiCr合金材料，所述金属丝式平行电极二为NiSi合金材料。
4.根据权利要求1所述的用于测量表面瞬态温度的传感器，其特征在于：
所述功能薄膜为NiSi合金材料；所述绝缘保护薄膜为SiO2材料。
5.根据权利要求1所述的用于测量表面瞬态温度的传感器，其特征在于：
所述陶瓷基体采用金属陶瓷。
6.一种制备如权利要求1-5任意一项所述的传感器的工艺，其特征在于，包括：
步骤1、将金属丝式电极一以及金属丝式电极二平行穿入双孔陶瓷柱内；
步骤2、在所述金属丝式电极一以及金属丝式电极二任意一端的表面均涂覆一层具有一定厚度的作为过渡瓷层用的金属陶瓷并进行高温烧结；
步骤3、在所述金属丝式电极一以及金属丝式电极二已经过高温烧结的表面再次涂覆一层具有一定厚度的作为基体瓷层用的金属陶瓷，并将其再次进行高温烧结以使得所述过渡瓷层以及所述基体瓷层烧结后形成陶瓷基体；
步骤4、上述带有双孔陶瓷柱以及陶瓷基体的金属丝式电极一以及金属丝式电极二一并穿入保护套筒内并用耐高温无机胶I将保护套筒与陶瓷基体相接触的一端绝缘密封；
步骤5、对所述陶瓷基体的端面进行打磨并抛光；
步骤6、用磁控溅射方式在陶瓷基体被抛光的端面沉积功能薄膜；
步骤7、用磁控溅射方式在已沉积功能薄膜的表面沉积绝缘保护薄膜；
步骤8、将补偿导线的正负极和金属丝式电极一以及金属丝式电极二的正负极相对应缠结，然后用耐高温无机胶II绝缘将其密封在保护套筒内；
步骤9、在保护套筒上设置螺纹安装结构。
7.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于：
所述双孔陶瓷管为刚玉管，所述保护套筒为304不锈钢材料。
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