CN110375890A - 无源无线声表面波高温热流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明无源无线声表面波高温热流传感器，包括：采集机构，所述采集机构包括钇钡铜氧热电单元；转换机构，所述转换机构包括压电单元及延迟线单元；所述转换机构与所述采集机构电连接；输出件，所述输出件连接在在所述转换机上。相较于现有技术，本发明具有响应速度快，最高可达ms级，灵敏度高，热流灵敏度优于0.1W/m2，无源无线，免维护等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于钇钡铜氧(YBCO)热电堆的无源无线声表面波(SAW)高温热流传感器，尤其是涉及高温无源无线传感领域。
背景技术
现有常用的热流传感器有线绕式、热阻式、热容式、圆箔式热流传感器等，但是大部分耐热温度低，精度差，需要有线测量，无法实现1000℃高温环境下无源无线测量热流。声表面波传感器具有无源无线测量的特点，其体积小、结构简单、响应速度ms级，工作温度范围广，可以工作在1000℃高温恶劣环境中。在与本发明相关的声表面波高温无源无线传感研究方面，
现有技术，中国发明专利《耐高温热流传感器》(申请号：201811278364.0)公开了热感片嵌固在热沉体上端，引线连接热感片下端面，通过转接引出，穿过嵌套在热沉体中间瓷管，与设置在热沉体下方接线柱转接，从固定夹引出，热沉体通过旋入热沉体下方接线螺柱引出引线，从固定夹引出，固定夹引出的两个引线作为热电偶两极，热沉体上侧面与传感器壳体之间设置有上垫片，热沉体下端面与固定夹之间设置有下垫片；热沉体侧面均布有散热翅片，传感器壳体为笼式外壳，侧面设置有散热槽，热沉体与传感器壳体之间绝缘。本发明用于测量推进器喷射火焰瞬间热流密度。
现有文献[1](P.Nicolay,R.Matloub,J.Bardong,et al.A concept of wirelessand passive very-high temperature sensor[J].Applied Physics Letters,2017,110(18):184104.)提出了一种基于热电偶的声表面波延迟线高温传感器，以铌酸锂为基底，在声表面波叉指换能器和反射栅中间的声表面波传播路线上，放置金属电极和PZT层，PZT层夹在两个电极之间。热电偶的冷端PZT层的两端电极相连，热电偶的热端放置在需要测量的高温环境中。此传感结构复杂，且只能产生数百微伏的热电势，传感器的灵敏度最高只有-0.2ppm/V，不足以满足实用化的需求。而且，此结构中声表面波基底需要放置在低于300℃的恒温环境中，非恒温环境会降低此传感器的精度，在实际应用中，保持基底所在环境的温度恒定十分困难，这也限制了此传感器的实用性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种解决上述技术问题的无源无线声表面波高温热流传感器。
为了解决上述技术问题，本发明无源无线声表面波高温热流传感器，包括：采集机构，所述采集机构包括钇钡铜氧热电单元；转换机构，所述转换机构包括压电单元及延迟线单元；所述转换机构与所述采集机构电连接；输出件，所述输出件连接在在所述转换机上。
优选地，所述转换机构包括：耐高温基底，所述压电单元、所述延迟线单元分别设置在所述耐高温基底上；其中所述钇钡铜氧热电单元与所述压电单元电连接。
优选地，所述延迟线单元包括：叉指换能器及反射栅，所述叉指换能器及所述反射栅分别设置在所述耐高温基底上；其中所述反射栅的数量为两根，所述压电单元位于两根所述反射栅之间。
优选地，所述压电单元包括：耐高温压电薄膜；耐高温电极片，两片所述耐高温电极片分别设置在所述耐高温压电薄膜的顶部和底部，底部的所述耐高温电极片设置在所述耐高温基底上；其中所述钇钡铜氧热电单元与两片所述耐高温电极片电连接。
优选地，所述采集机构包括所述钇钡铜氧热电单元以及设置在所述钇钡铜氧热电单元顶部的热流导热片。
优选地，所述钇钡铜氧热电单元包括：钇钡铜氧热电堆，所述钇钡铜氧热电堆与所述耐高温基底间隔设置，所述热流导热片设置在所述钇钡铜氧热电单元顶部；耐高温电极，两个所述耐高温电极分别设置在所述钇钡铜氧热电堆的两端；其中两个所述耐高温电极分别与两片所述耐高温电极片电连接。
优选地，在所述钇钡铜氧热电堆的底部设有隔热层。
优选地，在所述隔热层上设有多个沟槽，多个所述沟槽均匀间隔布置。
优选地，在所述隔热层与所述耐高温基底之间填充惰性气体。
优选地，所述钇钡铜氧热电堆包括：衬底；钇钡铜氧薄膜，多层所述钇钡铜氧薄膜沿c轴外延堆叠在所述衬底上；其中所述钇钡铜氧薄膜的法向与c轴之间的夹角为10°～80°。
相较于现有技术，本发明具有响应速度快，最高可达ms级，灵敏度高，热流灵敏度优于0.1W/m2，无源无线，免维护等特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明剖面结构示意图；
图2是本发明实施例工作示意图；
图3是本发明声表面波谐振器部分结构三维示意图。
图中：
1-热流导热片 2-耐高温电极 3-钇钡铜氧热电堆
4-隔热层 5-耐高温金属导线 6-耐高温电极片
7-耐高温压电薄膜 8-叉指换能器 9-反射栅
10-耐高温基底 11-惰性气体 12-被测流体管道
13-阅读器 14-传感器天线 15-沟槽
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
考虑到钇钡铜氧薄膜热电堆具有温差热电效应，其产生的电压与温度梯度成正比，现有文献[1]中采用热电偶作为敏感元件的方式，钇钡铜氧薄膜热电堆作为敏感元件，在高温情况下可以产生比热电偶更高数量级的热电势，可达数百mV，具有高灵敏度、无需外加偏置电压、响应速度快达ns级等特点。本发明提出的基于钇钡铜氧热电堆的无源无线声表面波高温热流传感器结构简单，利用温度梯度进行测量，不需要另外添加恒温设备，在工业、航空、航天等高温、大热流的恶劣环境中可以实现无源无线快速精确测量，具有重要意义。
如图1所示，本发明包括的基于钇钡铜氧热电堆的声表面波高温热流传感器，由热流导热片1、耐高温电极2、钇钡铜氧热电堆3、隔热层4、耐高温金属导线5、耐高温电极片6、耐高温压电薄膜7、叉指换能器8、反射栅9、声表面波耐高温基底10组成，采用声表面波谐振器结构，以耐高温材料如碳化硅为耐高温基底10，耐高温金属如铂为电极材料。热流导热片1由铜或不锈钢材料制成，表面涂有黑色耐高温漆或黑色耐高温氧化物涂层。热流导热片1安装在钇钡铜氧热电堆3表面。钇钡铜氧作为一种热电材料，在同等温差情况下可以产生比热电偶更高的电压。钇钡铜氧热电堆3左右两侧装有耐高温电极2，用来电压信号输出。钇钡铜氧热电堆3底部和隔热层4接触，作为冷端，形成温度梯度，隔热层4另一面设有等间距微缝沟槽15，用来增强散热，增大温度梯度。钇钡铜氧热电堆3上表面吸收热量，热量沿深度方向移动，形成温度梯度，决定钇钡铜氧热电堆3的输出电压幅值。
采用碳化硅SiC材料作为声表面波耐高温基底10，基底厚度为650um，在声表面波耐高温基底10上，制作耐高温电极形成叉指换能器8和反射栅9，电极材料为铂，厚度为200nm。反射栅9排列在叉指换能器8一侧，形成延迟线结构，靠近叉指换能器8的作为参考反射栅9，远离叉指换能器8的作为测量反射栅9，在两根反射栅9中间的耐高温基底10上溅射铂耐高温电极片6和氮化铝AlN耐高温压电薄膜7，形成铂/氮化铝/铂的层状结构，AlN薄膜厚度为0.1～0.2个波长，铂耐高温电极片6厚度为200nm。
隔热层4和耐高温压电薄膜7之间空白区域采用惰性气体11填充，惰性气体11包括氦气、氖气、氩气等中的一种。钇钡铜氧热电堆3两侧的耐高温电极2和耐高温压电薄膜7上下表面的耐高温电极6之间采用耐高温电极金属导线5连通。耐高温电极金属导线5顶端连接钇钡铜氧热电堆3的耐高温电极2。耐高温电极金属导线5的底端分别连接耐高温压电薄膜7上下表面的耐高温电极片6。耐高温电极金属导线5中间段穿过隔热层4和惰性气体11区域。耐高温电极金属导线5由铂或银等耐高温金属构成。
钇钡铜氧热电堆3的电极输出通过耐高温金属导线5和耐高温压电薄膜7上下表面的耐高温电极片6联通。在传感器进行热流测量时，声表面波高温热流传感器安装在被测流体管道12的管道壁上，热流导热片1与被测物体紧密接触。当热流方向与传感器等温面垂直时，热流密度q计算公式为：
其中Q为热量，k为导热系数，ΔT为等温面之间的温度差，Δh为等温面之间的高度差。钇钡铜氧热电堆冷热两端的温度差ΔT产生电动势U。其关系为：
U＝SΔT
其中S为塞贝克系数。随着温度升高，会产生数百微伏至数百毫伏的热电动势。电动势通过电极片6作用在压电薄膜层7上，发生逆压电效应，产生应变和应力，声表面波对应力应变十分敏感，会导致声表面波的波速产生变化，进而改变从声表面波从反射栅反射回到叉指换能器的时间延迟。
声表面波高温热流传感器工作在433MHz无线频段，阅读器13发射无线查询信号给声表面波高温热流传感器，传感器通过天线14(输出件)接收信号后，通过叉指换能器8产生声表面波，声表面波到达反射栅阵列后反射回到叉指换能器8，再转换成电信号发送给阅读器13。阅读器13接收到的回波信号的时延间隔Δτ是温度差ΔT的函数，时延间隔Δτ与热流密度q关系为：
从而通过测量回波信号的时延间隔Δτ变化，实现测量热流。
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 (10)
1.一种无源无线声表面波高温热流传感器，其特征在于，包括：
采集机构，所述采集机构包括钇钡铜氧热电单元；
转换机构，所述转换机构包括压电单元及延迟线单元；所述转换机构与所述采集机构电连接；
输出件，所述输出件连接在在所述转换机上。
2.根据权利要求1所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，所述转换机构包括：
耐高温基底，所述压电单元、所述延迟线单元分别设置在所述耐高温基底上；其中
所述钇钡铜氧热电单元与所述压电单元电连接。
3.根据权利要求2所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，所述延迟线单元包括：
叉指换能器及反射栅，所述叉指换能器及所述反射栅分别设置在所述耐高温基底上；其中
所述反射栅的数量为两根，所述压电单元位于两根所述反射栅之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，所述压电单元包括：
耐高温压电薄膜；
耐高温电极片，两片所述耐高温电极片分别设置在所述耐高温压电薄膜的顶部和底部，底部的所述耐高温电极片设置在所述耐高温基底上；其中
所述钇钡铜氧热电单元与两片所述耐高温电极片电连接。
5.根据权利要求4所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，所述采集机构包括所述钇钡铜氧热电单元以及设置在所述钇钡铜氧热电单元顶部的热流导热片。
6.根据权利要求5所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，所述钇钡铜氧热电单元包括：
钇钡铜氧热电堆，所述钇钡铜氧热电堆与所述耐高温基底间隔设置，所述热流导热片设置在所述钇钡铜氧热电单元顶部；
耐高温电极，两个所述耐高温电极分别设置在所述钇钡铜氧热电堆的两端；其中
两个所述耐高温电极分别与两片所述耐高温电极片电连接。
7.根据权利要求6所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，在所述钇钡铜氧热电堆的底部设有隔热层。
8.根据权利要求7所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，在所述隔热层上设有多个沟槽，多个所述沟槽均匀间隔布置。
9.根据权利要求7或8所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，在所述隔热层与所述耐高温基底之间填充惰性气体。
10.根据权利要求6或7所述的声表面波高温热流传感器，其特征在于，所述钇钡铜氧热电堆包括：
衬底；
钇钡铜氧薄膜，多层所述钇钡铜氧薄膜沿c轴外延堆叠在所述衬底上；其中
所述钇钡铜氧薄膜的法向与c轴之间的夹角为10°～80°。
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