CN107543618A - 基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，包括等温腔体和其支撑的敏感片，等温腔体的外底部和内底部分别安装有薄膜加热器和测温用传感器并用引线引出至数据采集系统，利用高精度控温仪对等温腔体进行控温，柔性热电堆敏感片以聚酰亚胺薄膜为基底，其上电镀或刻蚀形成热电堆康铜条箔带构成的曲线结构，曲线结构为热电材料一，曲线两端引出两个电极，两个电极与电势采集装置电连接，在曲线结构开口的中心位置处电镀或刻蚀形成热电偶康铜条箔带。本发明的测量装置，实现了真空环境下的辐射热流的准确和快速测量，提高了航天器真空热试验外热流的准确测量和快速测量能力，降低了试验误差，提高了试验精度。

Description

基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置

技术领域

本发明属于航天器热试验领域，具体来说,本发明涉及一种用于真空环境下的辐射热流密度的测量装置。

背景技术

在航天器真空热试验中，需要利用外热流模拟设备模拟航天器在轨的到达热流密度，空间环境对航天器热流的影响主要是辐射热流，对流和导热可以忽略不计，并且利用热流测量装置测量热流密度。外热流的测量准确性和瞬态响应特性对外热流的模拟准确性起着至关重要的作用，外热流模拟的准确度将直接影响航天器热平衡试验的温度水平和试验误差。

现有的真空环境下的热流测量装置基本原理主要包含基于温度梯度原理(以Gardon式为代表)、半无限大物体温度测量原理(以同轴热电偶、红外测温为代表)和热量计原理(以金属块式热量计为代表)，其中应用较为广泛的是Gardon式热流计、热量计。而Gadrdon式热流计适合测量大热流，且需要水冷热沉。热量计基于温度梯度热量计的原理进行设计的，即利用集总参数法，得到敏感片的温度变化情况，根据温度变化情况得到热流密度的大小。在航天器热试验范围内常用的有两种，一种是绝热型热流计，将敏感片放置于隔热多层上面，假设敏感片背面绝热，敏感片正面的热流密度引起敏感片本身温度变化，根据温度可以得到外热流的大小，主要用于稳态辐射热流测量。另一种热流计称为热屏等温型热流计，是将敏感片隔热安装于一个内凹的等温盒内，在使用之前进行标定，得到敏感片、等温盒和辐射外热流之间的关系式，正式使用时，测量敏感片温度数据、等温盒温度，通过标定关系式计算辐射热流密度,可以用来测量瞬态热流。

Gardon式热流计在测量低热流、需要安装多个热流计和真空密封环境下测量时，存在安装困难、精确度不高等问题；绝热型热流计主要测量稳态热流，假设背面绝热，但是实际上背面是存在漏热的，测量稳态热流存在误差；热屏等温型热流计是对敏感片的温度变化速率进行处理，根据标定式计算出辐射热流密度的大小，但是由于辐射换热的特点和敏感片热容的影响，在换热体温差很小时，换热效率非常低，因此敏感片的温度在平衡之前变化非常缓慢，在测量瞬态热流时存在较大误差。

因此，为了实现航天器真空热试验的外热流精确测量，必须设计新的辐射热流测量装置，同时满足稳态热流和瞬态热流的测量，降低试验误差，提高试验精度和试验水平。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种真空环境下的辐射热流测量装置，能够准确测量辐射稳态热流密度和瞬态热流密度，实现真空环境下的辐射热流密度的准确和快速测量。本发明能够为真空环境下的辐射热流测量提供技术保障。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，包括腔壁温度均匀且恒定的等温腔体和其支撑的敏感片，等温腔体在对称两个侧面上缘内侧加工有凹槽，用以支撑敏感片，等温腔体的内底部和外底部分别安装有温度传感器和薄膜加热器，并用引线引出至数据采集系统，利用高精度控温仪对等温腔体进行控温；敏感片由柔性热电堆敏感片和硬质基底组成，其中，柔性热电堆敏感片以聚酰亚胺薄膜为基底，其上电镀或刻蚀形成热电堆康铜条箔带构成的曲线结构，曲线结构为热电材料一，曲线两端引出两个电极，两个电极与电势采集装置电连接，在曲线结构开口的中心位置处电镀或刻蚀形成热电偶康铜条箔带，两端与温度采集装置电连接，分别在曲线结构和中心条箔带上间隔镀热电材料二，热电材料二两端形成热电偶冷结点和热结点，冷热结点正向串联形成热电堆，中心形成热电偶，上述结构形成后在整个热敏感片上沉积或溅射一层电绝缘层；柔性热电堆敏感片与硬质基底粘合形成敏感片，敏感片的上下表面分别涂覆发射率不同的两种材料，上表面涂覆高发射率材料，下表面涂覆低发射率材料，两种材料直接涂敷在绝缘层和硬质基底上，其中，在冷节点或者热节点的始端和终端分别连接有引线，引线连接有电势采集装置，以对热电堆辐射热流引发的电势值进行采集，温度传感器和薄膜加热器分别通过控温仪进行加热和温度传感测量控制。

其中，曲线结构优选曲线对称结构，曲线呈S形，弓形，尖劈形等。

进一步地，等温腔体内凹方形或圆形，等温腔体的材料包括铝、铜、银；

进一步地，引线连接有电势采集装置；

进一步地，所述所述硬质材料为不锈钢箔或铜箔或铝箔；

进一步地，所述刻蚀法包括激光刻蚀或化学刻蚀；

进一步地，所述电镀、溅射法包括离子电镀、磁控溅射；

其中，其中，所述涂覆绝缘层包括聚酰亚胺、氧化硅或氧化铝。

其中，涂层两种材料之一为黑漆、白漆或灰漆；另一种为铝粉漆、银粉或金粉漆。

本发明所提供的辐射热流测量装置，实现了真空环境下的辐射热流的准确和快速测量，提高了航天器真空热试验外热流的准确测量和快速测量能力，降低了试验误差，提高了试验精度。

附图说明

图1是本发明的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置结构示意图；

图中，1、等温腔体；2、敏感片；3、温度传感器；4、薄膜加热器；5、高精度控温仪；6、数据采集装置。

图2a是本发明的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置中柔性热电堆敏感片的结构示意图；图示了在聚酰亚胺薄膜基底上由康铜条箔带形成的回路结构，整个康铜条由一条完整曲线构成，成型为弓形结构，并在曲线结构中心处形成热电偶康铜条箔带，铜膜每隔一定间隔覆盖在弓形结构的平行边上，形成热电堆结构；

图2b是本发明的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置中敏感片的结构剖面示意图；柔性热电堆敏感片在镀完热电材料二后镀绝缘保护层，柔性热电堆敏感片与硬质基底粘接在一起形成敏感片，敏感片上下表面分别涂覆热控涂层一和热控涂层二；

图中，7、柔性聚酰亚胺膜；8、热电堆康铜条箔带；9、热电堆铜膜；10、热电偶康铜条箔带；11、热电偶铜膜；12、热结点；13、冷结点；14、绝缘保护膜；15、硬质基底；16、热控涂层一；17、热控涂层二。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置的敏感片结构进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

实施例1敏感片为柔性热电堆敏感片粘贴不锈钢基底，上表面喷涂绝缘层和热控 涂层一，下表面喷涂热控涂层二

参照图1，图1是本发明的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置的剖视图。其中，本发明的基于柔性薄膜热电堆的条纹式辐射热流测量装置，包括腔壁温度均匀恒定的等温腔体1，等温腔体内侧面为低发射率涂层，等温腔体1为方形或圆形，方形等温腔体在对称两个侧面上缘加工有凹槽，圆形等温腔体在内侧面上缘加工有凹槽，用以支撑敏感片2，敏感片2用硅胶固定于等温腔体的凹槽内，敏感片热电堆冷结点端与等温腔体1接触，等温腔体的内底部和外底部分别安装有温度传感器3和薄膜加热器4，温度传感器3和薄膜加热器4连接至高精度控温仪5,敏感片热电势通过数据采集装置6进行采集。

图2a是本发明的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置中柔性热电堆敏感片的部分结构示意图。其中，选取柔性聚酰亚胺膜7，膜厚为10um～50um，在柔性基底聚酰亚胺膜7上固定热电堆康铜条箔带8和热电偶康铜条箔带10，热电堆康铜条箔带8为连通的回型结构，图示的回型结构是热电堆康铜条箔带8形成的回路结构，整个康铜箔由一条完整曲线构成，热电堆康铜条箔带8厚为10um～50um，宽0.1mm～0.2mm，成型为弓形结构，并在两端连接有引线，热电偶康铜条箔带10为连通的回型结构，图示的回型结构是热电偶康铜条箔带10形成的回路结构，热电偶康铜条箔带10厚为10um～50um，宽0.1mm～0.2mm，成型为弓形结构，并在两端连接有引线；上述结构完成后，采用电镀或溅射方法将热电堆铜膜9间隔沉积在热电堆康铜条箔带8上，在热电堆铜膜9端部形成热电偶结点一12和结点二13，热电偶铜膜11沉积在热电偶康铜条箔带10的一个回路上，在敏感片中心形成热电偶热结点，热电堆铜膜9和热电偶铜膜11均厚0.5um～2um，宽度与热电堆康铜条箔带8和热电偶康铜条箔带10分别一致。

图2b是本发明的柔性热电堆辐射热流测量装置中敏感片的剖面示意图。其中，图示了覆盖绝缘保护层14后形成的柔性热电堆敏感片，柔性热电堆敏感片与硬质基底15利用硅橡胶粘接在一起形成敏感片1；敏感片1的上下表面分别涂覆发射率不同的两种材料，两种材料直接涂敷在绝缘层上或硬质基底上，上表面为热控涂层一16，下表面为热控涂层二17，热控涂层一16和热控涂层二17分别为高发射率和低发射率涂层。如涂层一16的材料为黑漆(S721-SR107等)、白漆(S781等)、灰漆(S956灰漆)等高吸收率材料，涂层二17可涂金属漆(S781铝粉漆、金粉漆、银粉漆)等低吸收率材料。

在使用中需要测量的物理量包括敏感片热电堆温差电势、敏感片温度、等温腔体温度和等温腔体加热功率。敏感片温差电势由敏感片上的热电堆热电偶测量，等温腔体的温度由温度传感器测量。

在使用之前需要标定，标定得出外热流与敏感片电势、敏感片温度和等温腔体温度之间的关系式。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，包括腔壁温度均匀且恒定的等温腔体和其支撑的敏感片，等温腔体在对称两个侧面上缘内侧加工有凹槽，或在圆形内侧边上缘加工有凹槽，用以支撑敏感片，等温腔体的内底部和外底部分别安装有温度传感器和薄膜加热器，并用引线引出至高精度控温仪，利用高精度控温仪对等温腔体进行控温；敏感片由柔性热电堆敏感片和硬质基底组成，其中，柔性热电堆敏感片以聚酰亚胺薄膜为基底，其上电镀或刻蚀形成热电堆康铜条箔带构成的曲线结构，曲线结构为热电材料一，曲线两端引出两个电极，两个电极与电势采集装置电连接，在曲线结构开口的中心位置处电镀或刻蚀形成热电偶康铜条箔带，两端与温度采集装置电连接，分别在曲线结构和中心条箔带上间隔镀热电材料二，热电材料二两端形成热电偶冷结点和热结点，冷热结点正向串联形成热电堆，中心形成热电偶，上述结构形成后在整个热敏感片上沉积或溅射一层电绝缘层；柔性热电堆敏感片与硬质基底粘合形成敏感片，敏感片的上下表面分别涂覆发射率不同的两种材料，上表面涂覆高发射率材料，下表面涂覆低发射率材料，两种材料直接涂敷在绝缘层和硬质基底上；敏感片与等温腔体相连接时，保证热电堆冷端与等温腔体接触连接。

2.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，等温腔体为方形或圆形内凹壳体。

3.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，等温腔体连接控温仪和数据采集仪表。

4.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，等温腔体的材料包括铝、铜、银。

5.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，曲线结构为曲线对称结构，曲线呈S形，弓形或尖劈形。

6.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，所述刻蚀法包括激光刻蚀或化学刻蚀。

7.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，所述电镀、溅射法包括离子电镀、磁控溅射。

8.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，所述涂覆绝缘层包括聚酰亚胺、氧化硅或氧化铝。

9.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，所述硬质材料为不锈钢或铜或铝。

10.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的圆箔式辐射热流测量装置，其中，涂层两种材料之一为黑漆、白漆或灰漆；另一种为铝粉漆或金粉漆。