CN107543634B - 基于柔性薄膜热电堆的条纹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条纹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；敏感片分为柔性热电堆敏感片和硬质基底两部分，柔性热电堆敏感片以聚酰亚胺薄膜为基底，聚酰亚胺膜上方设置连通的回型热电材料一，在热电材料一上间隔电镀或溅射热电材料二，热电材料二两端形成热电偶冷结点和热结点。本发明的测量装置，实现了真空环境下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条纹式辐射热流测量装置

技术领域

本发明属于航天器热试验技术领域，具体来说,本发明涉及一种用于真空环境下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，存在灵敏度低、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条纹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，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，温度传感器和薄膜加热器通过控温仪进行加热控制和温度测量，等温腔体侧面对称位置有四个安装孔；敏感片由柔性热电堆敏感片和硬质基底两部分组成，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，在曲线结构上间隔喷涂热电材料二，在热电材料一和热电材料二的连接处两端形成热电偶冷结点和热结点，热电偶正向串联形成热电堆，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；硬质基底和柔性热电堆敏感片粘接在一起组成单个单元敏感片，单个单元敏感片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和硬质基底上，发射率不同的两种材料在单个单元敏感片上等分形成发射率不同的涂层一和涂层二，涂层一和涂层二之间形成结合界面，涂层一和涂层二分别覆盖热电堆冷结点和热结点的对应区域，敏感片上表面的涂层一、涂层二分别对应于敏感片下表面的涂层二和涂层一。其中，在冷结点或热结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，以对辐射热流引发的电势值进行采集。

其中，单个单元敏感片相互串联组成多单元敏感片，相邻单元为镜像对称分布。

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，等温腔体为内凹方形，敏感片用硅胶或导热脂固定于等温腔体的凹槽内。

进一步地，等温腔体选择高热导率材料，包括铝、铜等。

进一步地，利用电镀、溅射等方法将热电材料二间隔喷涂在热电材料一上。进一步地，热电材料二为铜或金或银等，热电材料一为康铜条箔带。

进一步地，所述硬质材料为不锈钢或铜或铝等。

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、离子辅助溅射等。

其中，所述涂覆绝缘层包括聚酰亚胺、氧化硅或氧化铝等。

其中，涂层两种材料之一(涂层一或涂层二)为黑漆、白漆或灰漆；另一种为铝粉漆、银粉或金粉漆等。

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是本发明的条纹辐射式热流测量装置的剖视图；

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条纹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；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条纹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；

图中，7、聚酰亚胺膜；8、康铜条箔带；9、热电材料二；10、热电偶结点一；11、热电偶结点二；12、绝缘保护层；13、硬质基底。

图3是本发明的测量装置中敏感片正反面涂层示意图；

图中，14、热控涂层一；15、热控涂层二。

图4a为多个敏感片单元串联的正面结构及涂层示意图；

图4b为多个敏感片单元串联的背面结构及涂层示意图。

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条纹式辐射热流测量装置结构进行详细说明，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，下表面喷涂热控涂层

参照图1，图1是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，等温腔体在对称两个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，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。敏感片2用硅胶或导热脂固定于等温腔体1的凹槽内，敏感片与等温腔体的连接侧边为与热结点连线或冷结点连线垂直的两个侧边，另外两个侧边与等温腔体不接触。等温腔体侧面对称位置有四个安装孔。

图2a是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上固定康铜条箔带8，康铜条箔带8为连通的回型结构，图示的回型结构是康铜条箔带形成的回路结构，整个康铜箔由一条完整曲线构成，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；铜膜9采用电镀或溅射方法间隔沉积在康铜条箔带8上，铜膜9厚0.5um～2um，宽度与康铜条箔带8宽度一致，在康铜条箔带8端部形成热电偶结点一10和热电偶结点二11。

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12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13利用硅橡胶粘接在一起形成单个单元敏感片1。

图3是本发明的测量装置中敏感片正反面涂层示意图。其中，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保护层12上或硬质基底13上，发射率不同的两种材料在绝缘保护层或硬质基底上交错形成发射率不同的热控涂层一14和热控涂层二15，热控涂层一14和热控涂层二15之间形成结合界面且将敏感片等分为两部分，分别覆盖热电偶结点一10和热电偶结点二11的对应区域，敏感片上表面的热控涂层一14、热控涂层二15分别对应于金属箔片下表面的热控涂层二15和热控涂层一14。热控涂层一14和热控涂层二15的发射率需满足一定的关系，其中敏感片1上表面侧一边发射率为a1，另一边发射率为a2，下表面对应位置发射率为a2和a1。则需满足a1≠a2，若a1/a2>>1或a1/a2<<1则更合适。如热控涂层一14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，涂层二15可涂金属漆(S781铝粉漆、金粉漆、银粉漆)等低吸收率材料。

图4a为多个敏感片单元串联的正面结构及涂层示意图，为了增大输出灵敏度，敏感片可采取多个单元串联形式，相邻单元为镜像对称分布，需要按照偶数个单元进行串联。

图4b为多个敏感片单元串联的背面结构及涂层示意图，背面涂层发射率与正面发射率为交错对应关系。

在使用中需要测量的物理量包括敏感片热电堆温差电势、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 (12)

1.真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹式辐射热流测量装置，包括腔壁温度均匀且恒定的等温腔体，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，温度传感器和薄膜加热器通过控温仪进行加热控制和温度测量，等温腔体侧面对称位置有四个安装孔；敏感片由柔性热电堆敏感片和硬质基底两部分组成，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，在曲线结构上间隔喷涂热电材料二，在热电材料二的两端形成热电偶冷结点和热结点，热电偶正向串联形成热电堆，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；硬质基底和柔性热电堆敏感片粘接在一起组成单个单元敏感片，单个单元敏感片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和硬质基底上，发射率不同的两种材料在单个单元敏感片上表面和下表面等分形成发射率不同的涂层一和涂层二，涂层一和涂层二之间形成结合界面，涂层一和涂层二分别覆盖热电堆冷结点和热结点的对应区域，敏感片上表面的涂层一、涂层二分别对应于敏感片下表面的涂层二和涂层一，其中，在冷结点或热结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，以对辐射热流引发的电势值进行采集，其中，单个单元敏感片相互串联组成多单元敏感片，相邻单元为镜像对称分布。

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

3.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的条纹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所述的真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹式辐射热流测量装置，其中，等温腔体选择高热导率材料，包括铝、铜或银。

5.如权利要求1所述的基于柔性薄膜热电堆的条纹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所述的真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹式辐射热流测量装置，其中，利用电镀或溅射方法将热电材料二间隔喷涂在热电材料一上，所述电镀为离子电镀；所述溅射为磁控溅射或离子辅助溅射。

7.如权利要求1所述的真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹式辐射热流测量装置，其中，热电材料二为铜或金或银，热电材料一为康铜条箔带。

8.如权利要求1所述的真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹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。

9.如权利要求1所述的真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹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。

10.如权利要求1所述的真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹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。

11.如权利要求1-9任一项所述的真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹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、银粉或金粉漆。

12.如权利要求1所述的真空环境下的基于柔性薄膜热电堆的条纹式辐射热流测量装置，其中，敏感片用硅胶或导热脂固定于等温腔体的凹槽内，敏感片与等温腔体的连接侧边为与热结点连线或冷结点连线垂直的两个侧边，另外两个侧边与等温腔体不接触。