CN110174181A - 一种旋转部件温度/热流动态测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转部件温度/热流动态测试方法,基于设置在旋转部件上电感线圈数量不同的温敏元件A、温敏元件B实现,热流Q通过旋转部件时,由于热阻层的作用,温敏元件A和温敏元件B的功能层受到不同的温度T1和T2,导致两个温敏元件的寄生电容C发生不同的变化,由电感与自身寄生电容组成的两个谐振回路相应的谐振频率f1、f2随之改变,此变化以无线非接触地方式传输到后端处理电路模块,通过对后端处理电路模块内的数据处理分析,获得两个温敏元件功能层表面的温度变化ΔT,根据热流Q与温度变化ΔT的关系即可获得旋转部件表面瞬态温度/热流参数特性。本发明能实现高温、高压、高旋等恶劣环境旋转部件温度/热流的动态测试。
Description
技术领域
本发明涉及温度/热流测试技术领域,具体涉及一种旋转部件温度/热流动态测试方法。
背景技术
在航空航天、工业生产等领域使用的的大型装备内部旋转部件(如发动机叶片)工作时处于高温(300~1500℃)、高压(1~20MPa)、高旋(500~18000r/min)等恶劣环境,在这种环境下工作的旋转部件承受着巨大的热冲击,如果没有及时监测旋转部件承受的热冲击,旋转部件极有可能被损坏,导致装备无法正常运作。传统的温度/热流传感器大部分采用热电偶式测温原理,有线的测试方法使其在高温、高压、高旋等环境下容易出现接点处引线断裂等问题,使测试结果失真,不能实现工况环境中温度/热流参数的动态精准测量。因此,亟需发明一种全新的温度/热流测试方法以实现航空航天、工业生产等领域大型装备内部旋转部件温度/热流参数的动态测量。
发明内容
本发明提供了一种旋转部件温度/热流动态测试方法,旨在解决背景技术中存在的问题,以实现高温、高压、高旋等恶劣环境下旋转部件温度/热流的动态测试。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种旋转部件温度/热流的动态测试方法,用以实现特殊环境下(高温(300~1500℃)、高压(1~20MPa)、高旋(500~18000r/min))旋转部件(如:发动机叶片)表面瞬态温度/热流特性的精准测量,包括以下步骤:
S1、耐高温温敏元件的制备:结合光刻工艺与磁控溅射工艺在旋转部件上分别制备温敏元件A和温敏元件B,其中,温敏元件A和温敏元件B均由3层薄膜组成,从下往上依次为电气绝缘层、导电功能层和热阻封装层,温敏元件A和温敏元件B的导电功能层的结构仅有电感线圈,由磁控溅射工艺结合光刻工艺以耐高温金属Pt为材料制备而成,电感与寄生电容共同构成谐振回路,且温敏元件A的电感线圈匝数为4,温敏元件B的电感线圈匝数为3,导电功能层上方的热阻封装层,起到了导热和封装保护的作用,功能层下方的电气绝缘层起到了使功能导电层与旋转部件之间电气绝缘的作用;
S2、温度/热流参数的测试:热流Q通过旋转部件时,由于热阻层的作用,温敏元件A和温敏元件B的导电功能层受到不同温度T1和T2,使薄膜材料的介电常数εr发生变化,电感的寄生电容C因此发生不同的改变,由于两个谐振回路的谐振频率f1、f2随之变化,此变化以无线非接触地方式传输到后端射频信号处理电路模块内,通过分析后端射频信号处理电路模块内的数据,即可获得两个温敏元件导电功能层的温度变化ΔT,根据热流Q与温度变化ΔT之间的数学关系,就可实现旋转部件表面瞬热流的精准测试。
进一步地,所述温敏元件A和温敏元件B的电气绝缘层与热阻封装层均采用热导率小的Al2O3陶瓷为材料制备而成,其中,电气绝缘层的厚度均为0.1μm,温敏元件A的热阻封装层厚度为1μm,温敏元件B的热阻封装层厚度为0.5μm。
进一步地,所述温敏元件A和温敏元件B的导电功能层的厚度为0.3μm。
进一步地,所述Al2O3陶瓷薄膜通过以下步骤制备:
a.为保证旋转部件表面的洁净度,在超声波清洗室依次使用丙酮、乙醇、去离子水清洗旋转部件,待其表面溶剂挥发后,在旋转部件表面均匀涂抹一层光刻胶,利用丙酮将待溅射表面的光刻胶擦拭掉后,再用去离子水将残留的丙酮溶液清洗掉,并将清洗后的旋转部件在150℃的恒温箱中静置20~30min;
b.静置后,取出旋转部件,将旋转部件与纯度99.99%的金属Al靶分别放于溅射室内的对应位置,利用真空计将溅射室真空抽至2*10-3Pa,关闭真空计,维持1h,待真空度稳定后,再将混合均匀的纯度为99.99%的Ar与O2缓慢通入溅射室,调节溅射室气压至1Pa时,停止通气,维持15~20min使其稳定;
c.通气结束后,启动溅射电源,开始溅射,在溅射室内,经外加电场电离出的Ar+轰击Al靶材,Al粒子被轰击出来与溅射室内的O2反应形成Al2O3并沉积在待溅射表面;
d.待Al2O3薄膜达到指定厚度(即电气绝缘层薄膜为0.1μm,温敏元件A热阻封装层薄膜为1μm,温敏元件B热阻封装层薄膜为0.5μm)时,关闭电源,停止溅射,在超声波清洗室对溅射后的旋转部件进行清洗,清洗结束后,Al2O3薄膜制备完成。
进一步地,所述导电功能层通过以下步骤制备:
a.将镀有电气绝缘层的旋转部件置于超声波清洗室内清洗干净(去除表面油污、灰尘等污渍)后,在电气绝缘层表面均匀涂抹光刻胶,用丙酮溶液将待溅射的绝缘层表面的光刻胶擦拭掉后,将其置于150℃的恒温箱内放置30min,以去除胶内溶剂;
b.制备所需的导电功能层图形掩模版,将其置于待溅射的绝缘层表面上方,使用曝光灯照射掩模版3~5s,使掩模版的图形完整的转移到待溅射的绝缘层表面;
c.将完成曝光的旋转部件置于100℃的恒温箱下静置1~2min后,利用显影液使温敏元件导电功能层图形显现出来;
d.在真空度为3*10-3Pa,工作气压为0.5Pa的溅射条件下,在待溅射的绝缘层表面用磁控溅射工艺按照导电功能层图形制备0.3μm厚的金属Pt薄膜;
e.薄膜溅射完成后,用丙酮溶解旋转部件残留的光刻胶,再用去离子水清洗掉残留的丙酮溶液,清洁完成后,导电功能层薄膜制备完成。
本发明具有以下有益效果:
针对传统温度/热流传感器在应用过程中存在的问题,本发明选择成膜致密、附着性好、不易氧化的磁控溅射工艺制备传感器耐高温温敏元件薄膜,使其能够稳定地附着于工作中的旋转部件表面。
温敏元件A和温敏元件B选用热导率小的Al2O3陶瓷以不同的厚度作热阻层,选用这种材料与结构可以使两个温敏元件的功能层受到的温度差较大,且热阻层置于功能层上方,使导电功能层受恶劣环境(如高温、高压、高旋)的影响较小。
温度/热流参数通过无线非接触方式实现传输,避免传统温度/热流传感器在后端数据处理过程电引线的使用,使温度/热流传感器能够更适应于高温、高压、高旋等恶劣环境下,拓宽了温度/热流传感器的适用领域,可实现温度/热流参数的实时精准测量。
附图说明
图1为本发明实例中温敏元件A和温敏元件B的分层结构示意图;
图中:(a)温敏元件A的结构示意图;(b)温敏元件B的结构示意图。
图2为本发明实例中温敏元件A和温敏元件B的工作原理图。
图3为本发明实例中一种面向旋转部件温度/热流动态测试方法的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示,本发明的一种面向旋转部件温度/热流动态测试方法基于温敏元件A、温敏元件B和后端处理电路模块实现,温敏元件A、温敏元件B分别设置在旋转部件上,后端处理电路模块设置在旋转部件外壳上,三者以无线非接触方式实现对旋转部件温度/热流参数的动态测量。如图1所示,温敏元件A、温敏元件B均由3层薄膜组成,从下往上依次为电气绝缘层、导电功能层和热阻封装层,具体地,底层以Al2O3陶瓷为材料来制备电气绝缘层,起到了使功能导电层与旋转部件之间电气绝缘得作用,中间以耐高温金属Pt为材料来制备导电功能层,其电感线圈与其寄生电容构成谐振回路,顶层以Al2O3陶瓷为材料来制备厚度不同的热阻封装层,起到了导热和保护功能层的作用。
如图2所述,温敏元件A和温敏元件B的电气绝缘层的厚度为0.1μm,导电功能层的厚度为0.3μm,温敏元件A的热阻封装层的厚度为1μm,温敏元件B热阻封装层的厚度为0.5μm。热流Q通过旋转部件时,由于热阻层的作用,温敏元件A和温敏元件B受到不同的温度T1和T2(T2>T1),温度的变化会导致热阻层与绝缘层材料的介电常数εr发生改变,进而导致温敏元件A和温敏元件B中电感的寄生电容C发生变化。
实施例
一种旋转部件温度/热流的动态测试方法,具体包括以下步骤:
S1、耐高温温敏元件的制备:结合光刻工艺与磁控溅射工艺在旋转部件上分别制备温敏元件A和温敏元件B,
S11、温敏元件A的制备:
S111、在洁净的旋转部件表面的一侧采用光刻工艺和磁控溅射工艺制备0.1μm厚的Al2O3电气绝缘层薄膜;
S112、在上述Al2O3电气绝缘层表面,结合光刻工艺和磁控溅射工艺制备0.3μm厚的耐高温金属Pt导电功能层薄膜;
S113、在上述耐高温金属Pt导电功能层表面,结合光刻工艺和磁控溅射工艺制备1μm厚的Al2O3热阻封装层薄膜;
S12、温敏元件B的制备:
S121、在温敏元件A的另一侧采用光刻工艺和磁控溅射工艺制备0.1μm厚的Al2O3电气绝缘层薄膜;
S122、在S121步骤制备的Al2O3电气绝缘层薄膜表面,结合光刻工艺和磁控溅射工艺制备0.3μm厚的耐高温金属Pt导电功能层薄膜;
S123、在上述S122步骤制备的耐高温金属Pt导电功能层表面,结合光刻工艺和磁控溅射工艺制备0.5μm厚的Al2O3热阻封装层薄膜;
S2、温度/热流的参数测试:热流Q通过旋转部件表面,由于热阻层的存在,温敏元件A和温敏元件B受到的温度分别为T1和T2(T2>T1),温度的变化使绝缘层和热阻层材料的介电常数εr发生变化,导致功能层电感的寄生电容C发生相应的变化,由于两个温敏元件的谐振频率f1和f2随之发生改变,此变化以无线非接触的方式传输到后端处理电路模块,通过分析后端处理电路模块内的数据,即可获得两个温敏元件功能层的温度变化ΔT,其中ΔT=T2-T1,再根据热流Q与温度变化ΔT之间的关系其中ΔX为两个温敏元件热阻层厚度差,即可得出旋转部件瞬态热流特性。
本实施例中,所述Al2O3薄膜制备的主要原理是在外电场的作用下,Ar变成Ar+,Al粒子经Ar+轰击出来,并与溅射室内的O2发生反应形成Al2O3并在待溅射表面沉积成膜。具体的制备工艺步骤如下:
a.为保证旋转部件表面的洁净度,在超声波清洗室使用丙酮、乙醇、去离子水依次清洗旋转部件,待其表面溶剂挥发后,利用旋转台在旋转部件表面均匀涂抹一层光刻胶,利用丙酮将待溅射表面的光刻胶擦拭掉后,再用去离子水将残留的丙酮溶液清洗后,将其在150℃的恒温箱静置30min后,依序将旋转部件与纯度99.99%的金属Al靶放在溅射室内的相应位置;
b.真空计对溅射室抽真空,溅射室的真空度达到2*10-3Pa时,关闭真空计,停止抽真空,维持1h后,再将混合均匀的纯度为99.99%的Ar与O2通入溅射室,调节溅射室气压,达到工作气压1Pa时,停止通气;
c.通气结束后,启动溅射电源与样品旋转台,开始溅射,在溅射室内,Ar被电离成Ar+,电离出的Ar+轰击Al靶材得到Al粒子,被轰击出来的Al粒子与溅射室内的O2反应形成Al2O3并沉积在待溅射表面上;
d.待Al2O3薄膜的厚度达到指定厚度(即绝缘层薄膜为0.1μm,温敏元件A热阻层薄膜为1μm,温敏元件B热阻层薄膜为0.5μm)时,关闭电源,停止溅射,用丙酮、去离子水依次清洗溅射后的旋转部件,干燥后,Al2O3薄膜制备完成。
本实施例中,所述耐高温金属Pt导电功能层薄膜制备的主要原理是在涂胶、曝光后的旋转部件绝缘层表面,经Ar+轰击出来的铂粒子向旋转部件方向运动并在上述Al2O3绝缘层薄膜表面沉积成膜。具体的制备工艺步骤如下:
a.制备功能层薄膜之前,在超声波清洗室处理镀有绝缘层薄膜的旋转部件表面以去除表面油污、灰尘等污渍,旋转部件绝缘层表面洁净干燥后,使光刻胶在绝缘层薄膜表面均匀成膜,并在150℃的恒温箱放置30min,以去除胶内溶剂;
b.温敏元件功能层图形掩模版置于旋转部件下方并使其与待溅射表面对准,对准后,利用爆光灯曝光3~5s,将旋转部件放在100℃的恒温箱内1~2min后,利用显影液使温敏元件功能层图形显现出来。
c.温敏元件功能层图形化后,在真空度为3*10-3Pa,工作气压为0.5Pa的溅射条件下,以金属Pt为靶材,用磁控溅射工艺制备厚度为0.3μm的金属Pt薄膜;
d.薄膜溅射后,利用丙酮溶液清洁旋转部件残留的光刻胶,再用去离子水清洗掉残留的丙酮溶液,干燥后,金属Pt功能层薄膜制备完成。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种旋转部件温度/热流动态测试方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、耐高温温敏元件的制备:结合光刻工艺与磁控溅射工艺在旋转部件上分别制备温敏元件A和温敏元件B,其中,温敏元件A和温敏元件B均由3层薄膜组成,从下往上依次为电气绝缘层、导电功能层和热阻封装层,温敏元件A和温敏元件B的导电功能层的结构仅有电感线圈,由耐高温金属Pt材料制备而成,电感与寄生电容共同构成谐振回路,且温敏元件A的电感线圈匝数为4,温敏元件B的电感线圈匝数为3;
S2、温度/热流参数的测试:热流Q通过旋转部件时,由于热阻层的作用,温敏元件A和温敏元件B的导电功能层受到不同温度T1和T2,使薄膜材料的介电常数εr发生变化,电感的寄生电容C因此发生不同的改变,由于两个谐振回路的谐振频率f1、f2随之变化,此变化以无线非接触地方式传输到与旋转部件外壳相连的后端射频信号处理电路模块内,通过分析后端射频信号处理电路模块内的数据,即可获得两个温敏元件导电功能层的温度变化ΔT,根据热流Q与温度变化ΔT之间的关系,就可实现旋转部件表面瞬热流的测试。
2.如权利要求1所述的一种旋转部件温度/热流动态测试方法,其特征在于,所述温敏元件A和温敏元件B的电气绝缘层与热阻封装层均采用热导率小的Al2O3陶瓷为制备材料,其中,电气绝缘层厚度均为0.1μm,温敏元件A的热阻封装层的厚度为1μm,温敏元件B的热阻封装层的厚度为0.5μm。
3.如权利要求1所述的一种旋转部件温度/热流动态测试方法,其特征在于,所述温敏元件A和温敏元件B的导电功能层的厚度为0.3μm。
4.如权利要求2所述的一种旋转部件温度/热流动态测试方法,其特征在于,所述Al2O3陶瓷薄膜通过以下步骤制备:
a.在超声波清洗室依次使用丙酮、乙醇、去离子水清洗旋转部件,待其表面溶剂挥发后,在旋转部件表面均匀涂抹一层光刻胶,利用丙酮将待溅射表面的光刻胶擦拭掉后,再用去离子水将残留的丙酮溶液清洗掉,并将清洗后的旋转部件在150℃的恒温箱中静置20~30min;
b.静置后,取出旋转部件,将旋转部件与纯度为99.99%的金属Al靶分别放于溅射室内的对应位置,利用真空计将溅射室真空抽至2*10-3Pa,关闭真空计,维持1h,待真空度稳定后,将混合均匀的纯度为99.99%的Ar与O2缓慢通入溅射室,调节溅射室气压至1Pa时,停止通气,维持15~20min使其稳定;
c.通气结束后,启动溅射电源,开始溅射,在溅射室内,电离出的Ar+轰击Al靶材,Al粒子被轰击出与溅射室内的O2发生反应形成成Al2O3并沉积在待溅射表面;
d.待Al2O3薄膜达到指定厚度时,关闭电源,停止溅射,在超声波清洗室对溅射后的旋转部件进行清洗,清洗结束后,Al2O3薄膜制备完成。
5.如权利要求1所述的一种旋转部件温度/热流动态测试方法,其特征在于,所述导电功能层通过以下步骤制备:
a.将镀有电气绝缘层的旋转部件置于超声波清洗室内清洗干净后,在电气绝缘层表面均匀涂抹光刻胶,用丙酮溶液将待溅射的绝缘层表面的光刻胶擦拭掉后,将其置于150℃的恒温箱内放置30min,以去除胶内溶剂;
b.制备所需的导电功能层图形掩模版,将其置于待溅射的绝缘层表面上方,使用曝光灯照射掩模版3~5s,使掩模版的图形完整的转移到待溅射的绝缘层表面;
c.将完成曝光的旋转部件置于100℃的恒温箱下静置1~2min后,利用显影液使温敏元件导电功能层图形显现出来;
d.在真空度为3*10-3Pa,工作气压为0.5Pa的溅射条件下,在待溅射的绝缘层表面用磁控溅射工艺按照导电功能层图形制备0.3μm厚的金属Pt薄膜;
e.薄膜溅射完成后,用丙酮溶解旋转部件残留的光刻胶,再用去离子水清洗掉残留的丙酮溶液,清洁完成后,功能层薄膜制备完成。
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