CN113091936B - 一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶，属于瞬态温度测量相关技术领域，包括内电极、内偶丝和堵头，所述内电极、外电极、内绝缘层、外绝缘层及金属导通膜构成热电偶同轴结构，所述内偶丝与外偶丝构成外部连接组件，所述堵头与固定销及套管组成固定、保护结构，所述内电极和外电极装配后轴线重合。本发明中，一方面，针对42CrMo钢材活塞，合理搭配热电偶部件选材，减小了接触式测温的引入误差问题，另一方面，通过增设堵头、套管、固定销等保护部件，提高了热电偶的可靠性，同时，采用钨铜合金作为导通膜，优化了热电偶的瞬态响应性和耐腐蚀性，拓宽了应用范围，使热电偶能够应用于更多恶劣环境下42CrMo钢材器件的测温。

Description

一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热 电偶

技术领域

本发明属于瞬态温度测量相关技术领域，尤其涉及一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶。

背景技术

热电偶作为测温技术中主要的传感器之一，由于其良好的适应能力，被广泛的应用到各种科研和工业领域中，但是随着对瞬态温度的需求增多，现代测温技术受限于传统热电偶的性能已经越来越难以满足要求，因此研发可用于瞬态温度测量的热电偶对促进测温技术的发展十分重要。

快速响应热电偶按照结构可以分为分层式薄膜热电偶和轴状薄膜热电偶，与普通热电偶相比，薄膜热电偶的突出优点是响应速度快，据研究表明，薄膜热电偶的瞬态响应时间与薄膜厚度成正比，通过降低薄膜的厚度可以有效缩短薄膜热电偶的响应时间，目前现有的薄膜制备技术可以制备厚度从数纳米到数百微米不等的金属或者非金属薄膜，因此薄膜热电偶的响应时间可以缩短至微秒级，其中由于分层式薄膜热电偶的制备必须依附于平面，所以应用场景受到限制，相比之下轴状薄膜热电偶不仅具有薄膜热电偶响应速度快的特性，同时还具备安装要求低，体积小等特点。

薄膜热电偶如专利CN103900728A中描述了一种新型陶瓷薄膜热电偶及其制作方法，采用新型热电偶材料，在陶瓷薄膜上对称布置两热电极，通过搭接横端构成热结点，最终制得热电偶，但是该热电偶工艺复杂，不便于工业应用，轴状热电偶如专利CN 103245430A所描述的一种用于测量瞬态温度的针状同轴薄膜热电偶，外部套管为其中一热电极，中心为另外一热电极，两者通过非导电胶进行绝缘，但是由于其通过胶水固定电极与引线，耐温性和可靠性均受到质疑，再如专利CN111595475A所描述的可更新的轴状薄膜热电偶，两种热电极放置在半圆柱结构凹槽内，该专利所描述的绝缘层加工时半圆柱棱角处绝缘层分布不均匀，导致制备成功率低，可靠性不高。

发明内容

本发明的目的在于：针对42CrMo钢活塞搭配出引入误差最小的热电偶材料体系和尺寸，并设计有利于提高热电偶可靠性、鲁棒性，使用范围更广的的同轴薄膜热电偶结构。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶，包括内电极、内偶丝和堵头，所述内电极、外电极、内绝缘层、外绝缘层及金属导通膜构成热电偶同轴结构，所述内偶丝与外偶丝构成外部连接组件，所述堵头与固定销及套管组成固定、保护结构，所述内电极和外电极装配后轴线重合，并且内电极通过金属导通膜与外电极实现电气连接，形成热电偶热结点，所述堵头安装在内偶丝和外偶丝引出的一端，用于压紧和封堵填入的耐高温胶，所述固定销用于固定堵头和套管，所述固定销安装在热电偶同轴结构的最外层，用于保护热电偶同轴结构。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述堵头为一个台阶状的缺口圆柱环，所述套管为规则的圆柱环，所述固定销为针状。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述内电极材料为铜镍合金，所述外电极为铁，所述绝缘层为SiO2。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述套管、堵头和固定销为42CrMo，通过增设堵头、套管、固定销等保护部件，提高了热电偶的可靠性，针对42CrMo钢材活塞，合理搭配热电偶部件选材，减小了接触式测温的引入误差问题，所述金属导通膜为WuCu25，并且金属导通膜的厚度优选为10μm，采用钨铜合金作为导通膜，优化了热电偶的瞬态响应性和耐腐蚀性，拓宽了应用范围。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述内电极、外电极、堵头、固定销和套管等关键部件均为规则结构，降低了加工难度。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述内偶丝和外偶丝由激光分别焊接到内电极和外电极的底面上。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述堵头安装在热电偶同轴结构远离金属导通膜的一端，并且堵头设置有圆柱状定位台阶，用于套管的轴向定位，所述固定销安装在堵头小孔上，用于实现堵头和套管的固定，所述套管安装在热电偶同轴结构最外侧，用于保护内电极和外电极。

一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶的制作和装配方法，包括如下步骤：

S101、通过普通线切割技术加工所述内电极和外电极，并通过机械精加工制得所述堵头、固定销和套管；

S102、通过PECVD技术对所述内电极和外电极的表面进行绝缘处理，制备微米级的二氧化硅绝缘层；

S103、内电极和外电极根据尺寸大小选择合适的装配合关系进行装配；

S104、通过激光焊接将内偶丝连接到内电极的底面边缘位置，将外偶丝连接到外电极底面边缘位置；

S105、将堵头和套管套入制得的热电偶同轴结构中，通过套管底部向内部充注耐高温导热胶，反复用堵头压紧，订入固定销，静置到套管内的耐高温导热胶完全凝固；

S106、通过磁控溅射技术在顶面制备WuCu25金属导通膜。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，通过增设了堵头、套管、固定销等保护部件，可以提高热电偶的可靠性，拓宽了应用范围，使热电偶能够应用于类似内燃机的剧烈振动、高温冲击、高污染的测温环境。

2、本发明中，通过合理搭配内电极、外电极、绝缘层、套管、堵头和固定销部件的材料能够有效降低热电偶测量42CrMo钢活塞的引入误差。

3、本发明中，通过使用钨铜合金作为金属导通膜，提高了热电偶的抗腐蚀、耐磨和耐高温能力，同时保证了热电偶的快速响应能力，有利于提高热电偶对绝大多数42CrMo钢产品的测温准确度。

4、本发明中，热电偶物性参数会影响热电偶测温的准确度，通过计算发现，针对42CrMo钢制活塞的瞬态测温，内电极材料为铜镍合金、外电极为铁，绝缘层为SiO2，套管、堵头、固定销为42CrMo、金属导通膜为WuCu25，厚度为10μm时，热电偶的引入误差最小，由于WuCu25金属导通膜同时具备Wu材料的耐高温、耐磨性和Cu材料优秀的导热性，使得该热电偶能够提高对绝大多数42CrMo钢制产品的测温准确度。

5、本发明中，通过设计的套管，套管为规则的圆柱环，其能够保护脆弱的外绝缘层，提高热电偶使用寿命，固定销为针状，机械固定堵头和套管，增强热电偶的协同性，综合提升热电偶可靠性，通过对热电偶进行加固保护，有利于其拓展应用到炮管、涡轮、泵等领域。

附图说明

图1为本发明提出的一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶的结构示意图；

图2为本发明提出的一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶堵头的结构示意图；

图3为本发明提出的一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶的示意图；

图4为本发明提出的一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶的成品示意图。

图例说明：

1、内电极；2、外电极；3、内绝缘层；4、外绝缘层；5、内偶丝；6、外偶丝；7、金属导通膜；8、堵头；9、固定销；10、套管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶，包括内电极1、内偶丝5和堵头8，所述堵头8为一个台阶状的缺口圆柱环，所述套管10为规则的圆柱环，所述固定销9为针状，所述内电极1、外电极2、内绝缘层3、外绝缘层4及金属导通膜7构成热电偶同轴结构，所述内电极1材料为铜镍合金，所述外电极2为铁，所述绝缘层为SiO2，所述内偶丝5与外偶丝6构成外部连接组件，所述堵头8与固定销9及套管10组成固定、保护结构，所述内电极1和外电极2装配后轴线重合，所述内电极1、外电极2、堵头8、固定销9和套管10等关键部件均为规则结构，降低了加工难度，并且内电极1通过金属导通膜7与外电极2实现电气连接，形成热电偶热结点，所述堵头8安装在内偶丝5和外偶丝6引出的一端，所述内偶丝5和外偶丝6由激光分别焊接到内电极1和外电极2的底面上，用于压紧和封堵填入的耐高温胶，所述固定销9用于固定堵头8和套管10，所述套管10、堵头8和固定销9为42CrMo，通过增设堵头8、套管10、固定销9等保护部件，提高了热电偶的可靠性，针对42CrMo钢材活塞，合理搭配热电偶部件选材，减小了接触式测温的引入误差问题，所述金属导通膜7为WuCu25，并且金属导通膜7的厚度优选为10μm，采用钨铜合金作为导通膜，优化了热电偶的瞬态响应性和耐腐蚀性，拓宽了应用范围，所述固定销9安装在热电偶同轴结构的最外层，用于保护热电偶同轴结构，所述堵头8安装在热电偶同轴结构远离金属导通膜7的一端，并且堵头8设置有圆柱状定位台阶，用于套管10的轴向定位，所述固定销9安装在堵头8小孔上，用于实现堵头8和套管10的固定，所述套管10安装在热电偶同轴结构最外侧，用于保护内电极1和外电极2。

实施方式具体为：针对42CrMo钢材活塞，合理搭配热电偶部件选材，减小了接触式测温的引入误差问题，通过增设堵头8、套管10、固定销9等保护部件，提高了热电偶的可靠性，同时，采用钨铜合金作为导通膜，优化了热电偶的瞬态响应性和耐腐蚀性，拓宽了应用范围，使热电偶能够应用于更多恶劣环境下42CrMo钢材器件的测温。

一种适用于42CrMo钢活塞表面瞬态温度测量的同轴薄膜热电偶的制作和装配方法，包括如下步骤：

S101、通过普通线切割技术加工所述内电极1和外电极2，并通过机械精加工制得所述堵头8、固定销9和套管10；

S102、通过PECVD技术对所述内电极1和外电极2的表面进行绝缘处理，制备微米级的二氧化硅绝缘层；

S103、内电极1和外电极2根据尺寸大小选择合适的装配合关系进行装配；

S104、通过激光焊接将内偶丝5连接到内电极1的底面边缘位置，将外偶丝6连接到外电极2底面边缘位置；

S105、将堵头8和套管10套入制得的热电偶同轴结构中，通过套管10底部向内部充注耐高温导热胶，反复用堵头8压紧，订入固定销9，静置到套管10内的耐高温导热胶完全凝固；

S106、通过磁控溅射技术在顶面制备WuCu25金属导通膜7。

工作原理：使用时，S101、通过普通线切割技术加工内电极1和外电极2，并通过机械精加工制得堵头8、固定销9和套管10；

S102、通过PECVD技术对内电极1和外电极2的表面进行绝缘处理，制备微米级的二氧化硅绝缘层；

S103、内电极1和外电极2根据尺寸大小选择合适的装配合关系进行装配；

S104、通过激光焊接将内偶丝5连接到内电极1的底面边缘位置，将外偶丝6连接到外电极2底面边缘位置；

S105、将堵头8和套管10套入制得的热电偶同轴结构中，通过套管10底部向内部充注耐高温导热胶，反复用堵头8压紧，订入固定销9，静置到套管10内的耐高温导热胶完全凝固；

S106、通过磁控溅射技术在顶面制备WuCu25金属导通膜7。

实施方式具体为：内电极1和外电极2表面均覆盖绝缘层，内电极1和外电极2装配后两者轴线重合，内偶丝5激光焊接到内电极1的底面上，外偶丝6同样也用激光焊接到外电极2的底面上，设计的部件均为规则结构，并且涉及的工艺也均为常见加工工艺，有利于降低热电偶的制作难度。

以上，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 (4)

1.一种同轴薄膜热电偶的制作和装配方法，所述同轴薄膜热电偶用于测量42CrMo钢活塞表面瞬态温度，其特征在于，所述同轴薄膜热电偶包括内电极、内偶丝和堵头，所述内电极、外电极、内绝缘层、外绝缘层及金属导通膜构成热电偶同轴结构，所述内偶丝与外偶丝构成外部连接组件，所述堵头与固定销及套管组成固定、保护结构，所述内电极和外电极装配后轴线重合，并且内电极通过金属导通膜与外电极实现电气连接，形成热电偶热结点，所述堵头安装在内偶丝和外偶丝引出的一端，用于压紧和封堵填入的耐高温胶，所述固定销用于固定堵头和套管，所述固定销安装在热电偶同轴结构的最外层，用于保护热电偶同轴结构；

所述内电极材料为铜镍合金，所述外电极为铁，所述绝缘层为SiO2；

所述套管、堵头和固定销为42CrMo；

所述金属导通膜为WuCu25；

所述金属导通膜的厚度为10μm；

所述堵头安装在热电偶同轴结构远离金属导通膜的一端，并且堵头设置有圆柱状定位台阶，用于套管的轴向定位，所述固定销安装在堵头小孔上，用于实现堵头和套管的固定，所述套管安装在热电偶同轴结构最外侧，用于保护内电极和外电极；

所述制作和装配方法，包括如下步骤：

S101、通过普通线切割技术加工所述内电极和外电极，并通过机械精加工制得所述堵头、固定销和套管；

S102、通过PECVD技术对所述内电极和外电极的表面进行绝缘处理，制备微米级的二氧化硅绝缘层；

S103、内电极和外电极根据尺寸大小选择合适的装配合关系进行装配；

S104、通过激光焊接将内偶丝连接到内电极的底面边缘位置，将外偶丝连接到外电极底面边缘位置；

S105、将堵头和套管套入制得的热电偶同轴结构中，通过套管底部向内部充注耐高温导热胶，反复用堵头压紧，订入固定销，静置到套管内的耐高温导热胶完全凝固；

S106、通过磁控溅射技术在顶面制备WuCu25金属导通膜。

2.根据权利要求1所述的一种同轴薄膜热电偶的制作和装配方法，其特征在于，所述堵头为一个台阶状的缺口圆柱环，所述套管为规则的圆柱环，所述固定销为针状。

3.根据权利要求1所述的一种同轴薄膜热电偶的制作和装配方法，其特征在于，所述内电极、外电极、堵头、固定销和套管均为规则结构。

4.根据权利要求3所述的一种同轴薄膜热电偶的制作和装配方法，其特征在于，所述内偶丝和外偶丝由激光分别焊接到内电极和外电极的底面上。

Images