CN113984238B - 一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，包括测量基体、敏感元件、封装壳体、接插件和空气导流保护罩；测量基体为T字形印刷电路板，敏感元件为嵌入T字形印刷电路板表面的薄膜电阻。本发明温度传感器探头采用薄膜铂电阻Pt1000作为测温敏感元件，采用FR4材料的PCB板作为敏感元件的基体，在基体顶部、中部、底部三个位置分别布三个薄膜铂电阻，本发明可以良好的规避太阳光辐射和测量电路对传感器整机的影响，同时通过构建的数学模型有效耦合传导、自身辐射等因素的影响，可以较好的提升传感器的测量精度，同时通过结构设计可以大幅提升传感器的响应时间，可广泛应用于空间环境空气温度测量领域，也可应用于地面大气环境测量领域。
Description
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器。
背景技术
温度传感器的测量原理多样，封装形式众多，市面上不乏各种用于不同环境的空气温度测量的传感器。而火星环境的具有太阳光辐射强度高、昼夜温差巨大(-180～+70℃)、风沙强烈的特点。
在火星环境下，缺少有效的大气层阻挡，其太阳光辐射强度较高，很容易形成对传感器整机、传感器安装基体的直接加热，从而造成敏感组件整体升温。同时，传感器安装结构对传感器本身的热传导也难以忽略。并且，后端电路对敏感组件的热传导和电路自热均无法避免。
常规的空气温度传感器难以满足这种复杂的气象条件，因而准确测量空间环境的空气温度是一个较大的难点。
发明内容
本发明是为了解决深空探测温度的精度问题，提供一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，温度传感器探头采用薄膜铂电阻Pt1000作为测温敏感元件，采用FR4材料的PCB板作为敏感元件的基体，在基体的顶部、中部、底部三个位置分别布三个薄膜铂电阻。测量引线分四层印刷在PCB板上，引线为蛇形排列的三线制。传感器主体外套镀铬空气导流保护罩，测量到三个薄膜铂电阻的输出值后，通过耦合计算公式来进行空气温度的计算；本发明可以良好的规避太阳光辐射和测量电路对传感器整机的影响，同时通过构建的数学模型有效耦合传导、自身辐射等因素的影响，可以较好的提升传感器的测量精度，同时通过结构设计可以大幅提升传感器的响应时间。这种传感器具有成本低、易于批量生产的特点，可以广泛应用于空间环境空气温度测量领域，也可应用于地面大气环境测量领域。
本发明提供一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，包括测量基体，嵌入测量基体表面的敏感元件，设置在测量基体上端外部的封装壳体，一端设置在封装壳体上端外部、另一端设置在封装壳体内部并且与测量基体上端电连接的接插件和设置在测量基体、敏感元件、封装壳体外部的空气导流保护罩；
测量基体为底部设置在封装壳体3内的T字形印刷电路板，敏感元件为嵌入T字形印刷电路板表面的薄膜电阻，封装壳体与T字形印刷电路板的交界处设置供空气流通的通道，空气导流保护罩为前端开口、底部与封装壳体固定的腔体，测量基体的顶部设置在空气导流保护罩的开口处，空气导流保护罩的四周设置若干个通孔；
敏感元件用于感应温度并产生电阻变化，测量基体用于测量敏感元件的电阻变化并得到温度测量值，封装壳体用于固定测量基体和接插件，空气导流保护罩用于保护测量基体、敏感元件、封装壳体和接插件。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，作为优选方式，测量基体包括T字形印刷电路板本体、设置在T字形印刷电路板本体底部的第一定位槽、设置在T字形印刷电路板本体中部一侧的第二定位槽、设置在T字形印刷电路板本体顶部的第三定位槽和设置在T字形印刷电路板本体上的印制线。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，作为优选方式，T字形印刷电路板本体包括依次叠放的第一层T字形印刷电路板、第二层T字形印刷电路板、第三层T字形印刷电路板和第四层T字形印刷电路板；
第一定位槽贯通的设置在第一层T字形印刷电路板、第二层T字形印刷电路板、第三层T字形印刷电路板和第四层T字形印刷电路板的顶部；
第二定位槽贯通的设置在第一层T字形印刷电路板、第二层T字形印刷电路板、第三层T字形印刷电路板和第四层T字形印刷电路板的中部一侧；
第三定位槽贯通的设置在第一层T字形印刷电路板、第二层T字形印刷电路板、第三层T字形印刷电路板和第四层T字形印刷电路板的底部。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，作为优选方式，第二定位槽的末端设置在T字形印刷电路板本体的1/2处，印制线为蛇形排列的间距1mm、线宽0.3mm的三线制印制线。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，作为优选方式，敏感元件包括设置在测量基体顶部的第一薄膜电阻、设置在测量基体中部一侧的第二薄膜电阻和设置在测量基体底部的第三薄膜电阻，第一薄膜电阻设置在空气导流保护罩的开口处，第三薄膜电阻设置在封装壳体中；
第一薄膜电阻粘接在第一定位槽中，第二薄膜电阻粘接在第二定位槽中，第三薄膜电阻粘接在第三定位槽中；
第一薄膜电阻、第二薄膜电阻和第三薄膜电阻的引腿均与印制线连接。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，作为优选方式，T字形印刷电路板的末端两侧设置用于与封装壳体固定的螺纹孔，封装壳体的末端两侧设置用于与空气导流保护罩通过螺纹固定的安装面，空气导流保护罩的末端两侧设置用于与外部装置固定的安装面。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，作为优选方式，敏感元件为PT1000薄膜铂电阻；
T字形印刷电路板的材质是FR4；
空气导流保护罩的材质为镀铬不锈钢。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，作为优选方式，封装壳体包括腔体和盖板，腔体为顶部、底部及一个侧面开口的壳状结构，盖板用于封装侧面的开口，腔体用于固定测量基体和接插件，接插件的芯线在腔体中与印制线的引线相连，第三薄膜电阻设置在腔体中。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器的耦合空气温度计算方法，作为优选方式，空气温度传感器的耦合空气温度Tf根据下记公式计算：
其中，T1为第一薄膜电阻测量的温度值，T2为第二薄膜电阻测量的温度值，T3为第三薄膜电阻测量的温度值。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器的耦合空气温度计算方法，作为优选方式，空气温度传感器的耦合空气温度Tf的计算方法如下：沿着T字形印刷电路板的轴向传入的加热功率、T字形印刷电路板上对外辐射和T字形印刷电路板上的对流换热构成平衡，即能量变换为0、能量的变化率也为0，通过边界条件求解即得到空气温度传感器的耦合空气温度Tf。
本发明所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，作为优选方式，
一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器设计，使用三只薄膜铂电阻作为敏感元件；使用一只T字形的FR4印刷电路板作为测量基体；薄膜铂电阻沿同一方向分别嵌入安装于印刷电路板的上中下三个位置，构成一个一维长杆模型，通过三只铂电阻测量整个测量基体形成的物理模型的温度进行空气温度的换算；
铂电阻元件采用PT1000薄膜铂电阻元件作为敏感元件。
铂电阻元件采用阵列形式，本方案共布置三个薄膜铂电阻元件，第一个元件定位槽在印制板顶部，第二个元件定位槽处于印制板1/2处，第三个元件定位槽为印制板底部。
采用三只铂电阻阵列型敏感组件，实现冗余设计。
采用嵌入的安装方法，铂电阻粘接在印制板侧翼的定位槽上，引腿通过过孔焊接在印制板上，印制线作为铂电阻的引线，采用三线制作为铂电阻的引出线方案。
每一只铂电阻对应的三条引线使用同一层印制线，三只铂电阻采用四层印制板，三层印刷层，一层保护层。
引出线设计时采用间距1mm，线宽0.3mm的印制线的线规，线条蛇形布置，详如图4所示。
设计传感器的封装壳体部分，如图3所示，传感器结构自带安装法兰，内部为空腔结构，并带安装支座，可以通过盖板进行封装。
印制板悬空坐装于封装壳体部分，盖上封装盖板后，底部的铂电阻元件位置在在由壳体和盖板构成的内腔环境中。
保护罩使用金属不锈钢材质，外形如图1所示，作为气导流罩作为传感器的保护罩，并在外层进行镀铬处理。
气温的计算模型如下：a为薄膜电阻的宽度，b为薄膜电阻的高度，k为薄膜电阻的导热率；k为支架材料的热导率；hc为对流换热系数；Ac为一个单元的横截面积；As为一个微元的表面积；
Ac＝ab，As＝(2a+2b)dx；
ε为测杆材料的发射率；
σ为玻尔兹曼常数；
在稳态条件下，对于每一个微元来的能量平衡方程如下：
Qx-Qx+dx-dQloss＝0；能量的变化为零。即能量的一阶倒数。
测量杆的能量方程：沿着杆轴向传入的加热功率和杆上对外辐射及杆上的对流换热，三个因素构成平衡。能量变换为0，能量的变化率也为0。
令hrad＝εσ(T2+T2 sur)(T+Tsur)，h＝hrad+hc；
这里中间参数m为：
这里为表达中间铂电阻在模型中的位置，约定位置参数χ为：
θ＝T-Tsur；
边界条件：
对于上述方程，假设底部测量的温度为Tb，T|x＝0＝Tb。
而对于顶部x＝L处，稳态条件下
通过两个边界条件可以解出
若空气流体的温度为Tf，测杆的x坐标处温度Tx与气温的差值θ为θ＝Tx-Tf。
其中杆顶部处x＝L，进而则有：
上述方程组表达为：
求解将上述方程：可得
一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，解决气温传感器在深空环境下，由于敏感组件受到太阳光辐射、测量环境向基体传导热量、测温元件本身容易受到测量载体干扰，无法准确获取空气温度的问题。
本专利采用三支薄膜铂电阻元件作为主要测温敏感元件，采用FR4印制板作为传感器的基体构成传热模型，为传感器配置高反射率空气导向罩，并设计耦合计算模型对气温数值进行校正，对相比现有的一些气温传感器具有以下优点：
本发明具有以下优点：
(1)有效减少了在测量环境中太阳光辐射和后端电路或安装机构对传感器的热传导的干扰；
(2)通过耦合计算模型，提高了空气温度的测量精度，空气温度测量精度，优于±0.5℃；
(3)测量温度宽，可以实现-180～+70℃的气温测量；
(4)成本低、可靠性高、一致性好，易于批量生产。
附图说明
图1为一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器未组装空气倒流保护罩时立体图；
图2为一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器立体图；
图3为一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器敏感元件及测量基体组装状态示意图；
图4为一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器测量基体示意图；
图5为一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器测量基体底视图；
图6为一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器封装壳体的腔体示意图；
图7为一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器耦合空气温度计算模型主视立体图；
图8为一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器耦合空气温度计算模型左视立体图。
附图标记：
1、测量基体；11、T字形印刷电路板本体；111、第一层T字形印刷电路板；112、第二层T字形印刷电路板；113、第三层T字形印刷电路板；114、第三层T字形印刷电路板；12、第一定位槽；13、第二定位槽；14、第三定位槽；15、印制线；2、敏感元件；21、第一薄膜电阻；22、第二薄膜电阻；23、第三薄膜电阻；3、封装壳体；4、接插件；5、空气导流保护罩。
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。
实施例1
如图1-2所示，一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，包括测量基体1，嵌入测量基体1表面的敏感元件2，设置在测量基体1上端外部的封装壳体3，一端设置在封装壳体3上端外部、另一端设置在封装壳体3内部并且与测量基体1上端电连接的接插件4和设置在测量基体1、敏感元件2、封装壳体3外部的空气导流保护罩5；
测量基体1为底部设置在封装壳体3内的T字形印刷电路板，敏感元件2为嵌入T字形印刷电路板表面的薄膜电阻，封装壳体3与T字形印刷电路板的交界处设置供空气流通的通道，空气导流保护罩5为前端开口、底部与封装壳体3固定的腔体，测量基体1的顶部设置在空气导流保护罩5的开口处，空气导流保护罩5的四周设置若干个通孔；
敏感元件2用于感应温度并产生电阻变化，测量基体1用于测量敏感元件2的电阻变化并得到温度测量值，封装壳体3用于固定测量基体1和接插件4，空气导流保护罩5用于保护测量基体1、敏感元件2、封装壳体3和接插件4；
如图3-5所示，测量基体1包括T字形印刷电路板本体11、设置在T字形印刷电路板本体11底部的第一定位槽12、设置在T字形印刷电路板本体11中部一侧的第二定位槽13、设置在T字形印刷电路板本体11顶部的第三定位槽14和设置在T字形印刷电路板本体11上的印制线15；
T字形印刷电路板本体11包括依次叠放的第一层T字形印刷电路板111、第二层T字形印刷电路板112、第三层T字形印刷电路板113和第四层T字形印刷电路板114；
第一定位槽12贯通的设置在第一层T字形印刷电路板111、第二层T字形印刷电路板112、第三层T字形印刷电路板113和第四层T字形印刷电路板114的顶部；
第二定位槽13贯通的设置在第一层T字形印刷电路板111、第二层T字形印刷电路板112、第三层T字形印刷电路板113和第四层T字形印刷电路板114的中部一侧；
第三定位槽14贯通的设置在第一层T字形印刷电路板111、第二层T字形印刷电路板112、第三层T字形印刷电路板113和第四层T字形印刷电路板114的底部；
第二定位槽13的末端设置在T字形印刷电路板本体11的1/2处，印制线15为蛇形排列的间距1mm、线宽0.3mm的三线制印制线；
敏感元件2包括设置在测量基体1顶部的第一薄膜电阻21、设置在测量基体1中部一侧的第二薄膜电阻22和设置在测量基体1底部的第三薄膜电阻23，第一薄膜电阻21设置在空气导流保护罩5的开口处，第三薄膜电阻23设置在封装壳体3中；
第一薄膜电阻21粘接在第一定位槽12中，第二薄膜电阻22粘接在第二定位槽13中，第三薄膜电阻23粘接在第三定位槽14中；
第一薄膜电阻21、第二薄膜电阻22和第三薄膜电阻23的引腿均与印制线15连接；
T字形印刷电路板的末端两侧设置用于与封装壳体3固定的螺纹孔，封装壳体3的末端两侧设置用于与空气导流保护罩5通过螺纹固定的安装面，空气导流保护罩5的末端两侧设置用于与外部装置固定的安装面；
敏感元件2为PT1000薄膜铂电阻；
T字形印刷电路板的材质是FR4；
空气导流保护罩5的材质为镀铬不锈钢；
如图6所示，封装壳体3包括腔体和盖板，腔体为顶部、底部及一个侧面开口的壳状结构，盖板用于封装侧面的开口，腔体用于固定测量基体1和接插件4，接插件4的芯线在腔体中与印制线15的引线相连。
实施例2
如图1-3所示，一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，
1.整机结构设计
如图1-6所示，空温传感器整机结构由封装壳体3、测量基体1、接插件4、空气导流保护罩5四个部分组成。部分为装载薄膜敏感元件的伸出测量基体。传感器外形如下图2所示。传感器采用法兰安装形式，在伸出支架的上布三个铂电阻元件，如图1和图3位置。传感器的整机外形如下图2所示。
传感器整机外套空气导流保护罩5，保护罩外形如图2所示，保护罩材质使用不锈钢材料，并外进行镀铬处理；
2.敏感组件设计
选用薄膜铂电阻元件，作为基本测量元件。后端电路发热引入探头的热量难以忽略，温度传感器探头根部布置一个铂电阻，主要用于衡量后端电路传热的影响，在建立稳态模型时已考虑热传影响。此外，在进行探头设计时，将印制线条设计为蛇形(如，增加印制线与电路板的接触面积，减少通过印制线直接对元件的热传导，避免破坏一维传热模型)。
实施例1-2的耦合空气温度Tf根据下记公式计算：
1.算法设计
将三只铂电阻测量到温度值带入以下经验公式进行计算，形成耦合空气温度，气温的计算模型图7-8所示，
第一薄膜电阻21测量的温度值为T1，第二薄膜电阻22测量的温度值为T2，第三薄膜电阻23测量的温度值为T3，空气温度传感器的耦合空气温度Tf根据下记公式计算：
耦合空气温度T的计算方法如下：沿着T字形印刷电路板的轴向传入的加热功率、T字形印刷电路板上对外辐射和T字形印刷电路板上的对流换热构成平衡，即能量变化为0、能量的变化率也为0，通过边界条件求解即得到耦合空气温度T的计算公式；
对流热平衡的表达是为：
其中，位置参数为x为薄膜电阻的截面积，L为薄膜电阻的长度，m为中间参数，θ为温差；
其中，a为印制板伸出端的宽度，b为印制板的高度，k为印制板的导热率。
以上所述，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 (10)
1.一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，其特征在于：包括测量基体(1)，嵌入所述测量基体(1)表面的敏感元件(2)，设置在所述测量基体(1)上端外部的封装壳体(3)，一端设置在所述封装壳体(3)上端外部、另一端设置在所述封装壳体(3)内部并且与所述测量基体(1)上端电连接的接插件(4)和设置在所述测量基体(1)、所述敏感元件(2)、所述封装壳体(3)外部的空气导流保护罩(5)；
所述测量基体(1)为底部设置在所述封装壳体(3)内的T字形印刷电路板，所述敏感元件(2)为嵌入所述T字形印刷电路板表面的薄膜电阻，所述封装壳体(3)与所述T字形印刷电路板的交界处设置供空气流通的通道，所述空气导流保护罩(5)为前端开口、底部与所述封装壳体(3)固定的腔体，所述测量基体(1)的顶部设置在所述空气导流保护罩(5)的开口处，所述空气导流保护罩(5)的四周设置若干个通孔；
所述敏感元件(2)用于感应温度并产生电阻变化，所述测量基体(1)用于测量所述敏感元件(2)的电阻变化并得到温度测量值，所述封装壳体(3)用于固定所述测量基体(1)和所述接插件(4)，所述空气导流保护罩(5)用于保护所述测量基体(1)、所述敏感元件(2)、所述封装壳体(3)和所述接插件(4)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，其特征在于：所述测量基体(1)包括T字形印刷电路板本体(11)、设置在所述T字形印刷电路板本体(11)底部的第一定位槽(12)、设置在所述T字形印刷电路板本体(11)中部一侧的第二定位槽(13)、设置在所述T字形印刷电路板本体(11)顶部的第三定位槽(14)和设置在所述T字形印刷电路板本体(11)上的印制线(15)。
3.根据权利要求2所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，其特征在于：所述T字形印刷电路板本体(11)包括依次叠放的第一层T字形印刷电路板(111)、第二层T字形印刷电路板(112)、第三层T字形印刷电路板(113)和第四层T字形印刷电路板(114)；
所述第一定位槽(12)贯通所述第一层T字形印刷电路板(111)、所述第二层T字形印刷电路板(112)、所述第三层T字形印刷电路板(113)和所述第四层T字形印刷电路板(114)的顶部；
所述第二定位槽(13)贯通的设置在所述第一层T字形印刷电路板(111)、所述第二层T字形印刷电路板(112)、所述第三层T字形印刷电路板(113)和所述第四层T字形印刷电路板(114)的中部一侧；
所述第三定位槽(14)贯通的设置在所述第一层T字形印刷电路板(111)、所述第二层T字形印刷电路板(112)、所述第三层T字形印刷电路板(113)和所述第四层T字形印刷电路板(114)的底部。
4.根据权利要求2所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，其特征在于：所述第二定位槽(13)的末端设置在所述T字形印刷电路板本体(11)的1/2处，所述印制线(15)为蛇形排列的间距1mm、线宽0.3mm的三线制印制线。
5.根据权利要求2所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，其特征在于：所述敏感元件(2)包括设置在所述测量基体(1)顶部的第一薄膜电阻(21)、设置在所述测量基体(1)中部一侧的第二薄膜电阻(22)和设置在所述测量基体(1)底部的第三薄膜电阻(23)，所述第一薄膜电阻(21)设置在所述空气导流保护罩(5)的开口处，所述第三薄膜电阻(23)设置在所述封装壳体(3)中；
所述第一薄膜电阻(21)粘接在所述第一定位槽(12)中，所述第二薄膜电阻(22)粘接在所述第二定位槽(13)中，所述第三薄膜电阻(23)粘接在所述第三定位槽(14)中；
所述第一薄膜电阻(21)、所述第二薄膜电阻(22)和所述第三薄膜电阻(23)的引腿均与所述印制线(15)连接。
6.根据权利要求1所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，其特征在于：所述T字形印刷电路板的末端两侧设置用于与所述封装壳体(3)固定的螺纹孔，所述封装壳体(3)的末端两侧设置用于与所述空气导流保护罩(5)通过螺纹固定的安装面，所述空气导流保护罩(5)的末端两侧设置用于与外部装置固定的安装面。
7.根据权利要求1所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，其特征在于：所述敏感元件(2)为PT1000薄膜铂电阻；
所述T字形印刷电路板的材质是FR4；
所述空气导流保护罩(5)的材质为镀铬不锈钢。
8.根据权利要求5所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器，其特征在于：所述封装壳体(3)包括腔体和盖板，所述腔体为顶部、底部及一个侧面开口的壳状结构，所述盖板用于封装侧面的开口，所述腔体用于固定所述测量基体(1)和所述接插件(4)，所述接插件(4)的芯线在所述腔体中与所述印制线(15)的引线相连。
9.根据权利要求5所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器的耦合空气温度计算方法，其特征在于：空气温度传感器的耦合空气温度Tf根据下记公式计算：
其中，T1为所述第一薄膜电阻(21)测量的温度值，T2为所述第二薄膜电阻(22)测量的温度值，T3为所述第三薄膜电阻(23)测量的温度值。
10.根据权利要求9所述的一种适用于深空探测的高精度快速响应空气温度传感器的耦合空气温度计算方法，其特征在于：所述空气温度传感器的耦合空气温度Tf的计算方法如下：沿着所述T字形印刷电路板的轴向传入的加热功率、所述T字形印刷电路板上对外辐射和所述T字形印刷电路板上的对流换热构成平衡，即能量变换为0、能量的变化率也为0，通过边界条件求解即得到空气温度传感器的耦合空气温度Tf。
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