CN114279586A - 一种发动机叶片薄膜温度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机叶片薄膜温度传感器及其制备方法，该传感器包括发动机叶片，在其上依次设有绝缘层和热电偶薄膜，热电偶薄膜由热电偶A和热电偶B搭接而成，搭接部分构成热电偶热端，热电偶A和热电偶B的另一端分别设有焊盘A和焊盘B，二者之间设有用于测量热电偶冷端温度的补偿电阻薄膜。其制备方法包括对发动机叶片进行研磨、清洗；制备绝缘层、热电偶A、热电偶B和补偿电阻薄膜。本发明发动机叶片薄膜温度传感器具有测量温度高、测量精度高、适用性强等优点，使用价值高，应用前景好，其制备方法具有制备工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，适合于大规模制备，利于工业化应用。

Description

一种发动机叶片薄膜温度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发动机叶片薄膜温度传感器及其制备方法。

背景技术

随着航空发动机推重比的提高，其发动机涡轮叶片的转速和工作温度越来越高，而叶片温度测量是叶片设计验证重要的基础试验内容。传统的发动机叶片温度的测量技术通常采用安装热电偶丝的方式，热电偶丝的安装则需要粘接剂来连接叶片和热电偶丝，或者采用焊接将热电偶丝直接焊接在叶片表面。传统的粘贴式温度传感器中粘接材料、方法和工艺的选择对安装性能和测量精度影响较大。比如，粘接层的厚度过厚则影响测量的精度，粘接层厚度过薄又会影响粘接强度性能；粘接层材料和方法的选择直接影响到粘接强度和使用温度。焊接热电偶丝则会破坏叶片表面，造成不可逆损伤，同时热电偶丝凸出叶片表面，干扰叶片周围的热流和温度场，而且存在脱落而损害涡轮系统的风险。为此，研究人员提出了发动机叶片原位制造的薄膜热电偶温度传感器，能很好的解决上述传统粘贴式温度传感器中存在的缺点，然而，现有基于发动机叶片原位制造的薄膜热电偶温度传感器中采用热电偶同质材料或补偿导线作为引线材料，这对容易加工成丝材的热电偶材料而言具有一定的应用，但是对于不容易加工成丝材的热电偶材料则无法采用同质材料作为引线材料，具有一定的应用限制，并且在引线引出端容易引入附加电势差，使得传感器的测温精度受限，测量温度低于1100℃。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种测量温度高、测量精度高、适用性强的发动机叶片薄膜温度传感器，还提供了一种制备工艺简单、操作方便、成本低廉的发动机叶片薄膜温度传感器的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种发动机叶片薄膜温度传感器，所述发动机叶片薄膜温度传感器包括发动机叶片，所述发动机叶片上依次设有绝缘层和热电偶薄膜；所述热电偶薄膜由热电偶A和热电偶B搭接而成，搭接部分构成热电偶热端，作为待测温度点；所述热电偶A和热电偶B的另一端分别设有焊盘A和焊盘B，构成热电偶冷端；所述焊盘A和焊盘B之间设有用于测量热电偶冷端温度的补偿电阻薄膜，作为冷端补偿电阻。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述补偿电阻薄膜为Pt、NiCr、PtRh中的其中一种薄膜或者为这些材料的复合薄膜；所述补偿电阻薄膜的厚度为0.5μm～10μm。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述补偿电阻薄膜两端还设有焊盘C；所述焊盘C的材料为Pt、Al、Au中的至少一种；所述焊盘C的厚度为1μm～5μm。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述焊盘C上连接有补偿电阻引线；所述补偿电阻引线为Pt丝、NiCr丝、Au丝中的至少一种。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述绝缘层为Al₂O₃、SiO₂、YSZ、Ta₂O₅中的其中一种薄膜或者为这些材料的复合薄膜；所述绝缘层的厚度为不小于10μm。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述热电偶A为Pt薄膜；所述热电偶A的厚度为0.5μm～10μm；所述热电偶B为Pt_0.87Rh_0.13薄膜或ITO薄膜；所述热电偶B的厚度为0.5μm～10μm。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述焊盘A的材料为Pt、Al、Au中的至少一种；所述焊盘A的厚度为1μm～5μm。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述焊盘A上还连接有热电偶引线；所述热电偶引线为Pt丝、NiCr丝、Au丝中的至少一种。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述焊盘B的材料与焊盘A材质相同；所述焊盘B的厚度为1μm～5μm。

上述的发动机叶片薄膜温度传感器，进一步改进的，所述焊盘B上还连接有热电偶引线；所述热电偶引线为Pt丝、NiCr丝、Au丝中的至少一种。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的发动机叶片薄膜温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、对发动机叶片进行研磨、清洗处理；

S2、在发动机叶片表面制备绝缘层；

S3、在绝缘层上分别制备热电偶A和热电偶B，形成热电偶薄膜；

S4、在绝缘层上靠近热电偶薄膜冷端处制备补偿电阻薄膜。

上述的制备方法，进一步改进的，还包括以下步骤：

S5、在热电偶A和热电偶B的冷端分别制备焊盘A和焊盘B；在补偿电阻薄膜两端制备焊盘C；

S6、在焊盘A和焊盘B上制备热电偶引线；在焊盘C上制备补偿电阻引线。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，依次采用2000目、3000目、5000目的金相砂纸对对发动机叶片进行研磨，单次研磨的时间为30min；所述清洗为将研磨后的发动机叶片依次置于丙酮和酒精中进行超声清洗，单次超声清洗的时间为15min；

步骤S2中，采用薄膜沉积方法、丝网印刷方法或喷涂方法制备绝缘层；

步骤S3中，采用薄膜沉积方法或丝网印刷方法制备热电偶A和热电偶B；

步骤S4中，采用薄膜沉积方法或丝网印刷方法制备补偿电阻薄膜；

步骤S5中，采用薄膜沉积方法或丝网印刷方法制备焊盘A、焊盘B和焊盘C；

步骤S6中，采用浆料烧结或压焊的方式制备热电偶引线和补偿电阻引线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供了一种发动机叶片薄膜温度传感器，包括发动机叶片，发动机叶片上依次设有绝缘层和热电偶薄膜；热电偶薄膜由热电偶A和热电偶B搭接而成，搭接部分构成热电偶热端，作为待测温度点；热电偶A和热电偶B的另一端分别设有焊盘A和焊盘B，构成热电偶冷端；焊盘A和焊盘B之间设有用于测量热电偶冷端温度的补偿电阻薄膜。本发明中，发动机叶片在工作状态下，热电偶热端为待测温度点，热电偶冷端焊盘处的温度低于热电偶热端，由于温度差的存在会产生一个热电势输出，通过该热电势就可以精确算出热电偶热端和冷端之间的温度差，与此同时，热电偶冷端设置的补偿电阻薄膜可以测量冷端焊盘处的温度，即热电偶冷端温度，进而通过冷端的温度、冷端和热端之间的温度差，获得热电偶热端的实际温度，由此实现温度测量。与现有常规薄膜温度传感器相比，本发明发动机叶片薄膜温度传感器中，在热电偶冷端设置用于测量温度的补偿电阻薄膜，具有以下特点：①补偿电阻薄膜，作为一个薄膜测温电阻，所测得的温度可以作为热电偶冷端温度的补偿，不会产生因同质材料引线导入的附加热电势误差，有利于提高测量温度和测量精度；②通过设置补偿电阻薄膜，任何高温导体均可以作为信号引出导线，不需要使用同质材料引线，薄膜热电偶材料选择不受限制，同时能够避免因采用同质材料或者补偿导线引出而造成的引线材料加工困难等缺点。另外，热电偶材料可以选择不同的材料以适应不同的测量温度以及测量环境的要求。与此同时，本发明发动机叶片薄膜温度传感器，直接在发动机叶片原位制造，相对于传统粘贴、焊接、埋设的热电偶丝，具有对发动机叶片结构形状改变小、对叶片无伤害、不改变叶片周围的热流和温度场、不易脱落、贴合叶片表面测量精度高等优势。本发明发动机叶片薄膜温度传感器具有测量温度高、测量精度高、适用性强等优点，使用价值高，应用前景好。

(2)本发明提供了一种发动机叶片薄膜温度传感器的制备方法，采用原位制造的方式，直接在发动机叶片上制备绝缘层、热电偶薄膜、补偿电阻薄膜，这有利于获得测量温度高、测量精度高、适用性强的发动机叶片薄膜温度传感器，与此同时，采用采用原位制造的方式，可以省去传统方法的粘接工艺或焊接工艺，从而避免粘接工艺受温度的限制，而且也减小由于粘接层引入的测量误差，避免焊接工艺对叶片表面造成不利影响。本发明制备方法，具有制备工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，适合于大规模制备，利于工业化应用。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。

图1为本发明实施例1中发动机叶片薄膜温度传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例1中发动机叶片薄膜温度传感器的制备工艺流程图。

图例说明：

1、发动机叶片；2、热电偶A；3、热电偶B；4、热电偶热端；5、焊盘A；6、焊盘B；7、补偿电阻薄膜；8、焊盘C；9、热电偶引线；10、补偿电阻引线。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的发动机叶片薄膜温度传感器，包括发动机叶片1，发动机叶片1上依次设有绝缘层和热电偶薄膜，热电偶薄膜由热电偶A2和热电偶B3搭接而成，搭接部分构成热电偶热端4，作为待测温度点，热电偶A2和热电偶B3的另一端分别设有焊盘A5和焊盘B6，构成热电偶冷端；焊盘A5和焊盘B6之间设有用于测量热电偶冷端温度的补偿电阻薄膜7。

本实施例中，补偿电阻薄膜7为Pt薄膜，厚度为1μm。

本实施例中，补偿电阻薄膜7的两端还设有焊盘C8，焊盘C8的材料焊盘C8与焊盘A5、焊盘B6在同一直线上，焊盘C的材料为Pt薄膜，厚度为1μm。

本实施例中，焊盘C8上还连接有补偿电阻引线10，补偿电阻引线为Pt丝。

本实施例中，绝缘层为YSZ(钇稳定氧化锆)薄膜，厚度为100μm。

本实施例中，热电偶A2为Pt薄膜，厚度为1μm；热电偶B3为Pt_0.87Rh_0.13薄膜，厚度为1μm。

本实施例中，焊盘A5的材料为Pt薄膜，厚度为厚度为1μm。

本实施例中，焊盘A5上还连接有热电偶引线9，热电偶引线9为Pt丝。

本实施例中，焊盘B6的材料为Pt薄膜，厚度为厚度为1μm。

本实施例中，焊盘B6上还连接有热电偶引线9，热电偶引线9为Pt丝。

一种上述本实施例中的发动机叶片薄膜温度传感器的制备方法，其制备流程图如图2所示，包括以下步骤：

(1)依次采用2000目、3000目、5000目金相砂纸对发动机叶片进行研磨，对发动机叶片表面进行抛光，单次研磨的时间为30min，然后将研磨后的发动机叶片依次置于丙酮、酒精中进行超声清洗，单次超声清洗的时间为15min，通过清洗去除表面杂质油污，以保证传感器薄膜在叶片表面可靠粘附。

(2)采用火焰喷涂在发动机叶片表面制备一层厚度为100μm的YSZ薄膜，即为绝缘层。

(3)采用离子束溅射镀膜在YSZ薄膜上面制备厚度为1μm的Pt薄膜，形成热电偶A极，热电偶薄膜图案通过具有特定图形的柔性掩膜形成。

(4)采用离子束溅射镀膜在YSZ薄膜上面制备度为1μm的Pt_0.87Rh_0.13薄膜，形成热电偶B极，热电偶薄膜图案通过具有特定图形的柔性掩膜形成，热电偶A极和热电偶B极在温度测试点搭接形成热电偶热端。

(5)采用离子束溅射镀膜在YSZ薄膜上靠近热电偶薄膜冷端处制备厚度为1μm的Pt薄膜，作为用于测量热电偶冷端温度的补偿电阻薄膜(冷端补偿电阻)，补偿电阻薄膜图案通过具有特定图形的柔性掩膜形成。

(6)采用离子束溅射镀膜方法在热电偶A和热电偶B的冷端分别制备厚度为1μm的Pt薄膜，作为热电偶冷端的焊盘A和焊盘B，同时采用离子束溅射镀膜方法在补偿电阻薄膜两端制备厚度为1μm的Pt薄膜，作为补偿电阻薄膜的焊盘C，引线焊盘图案通过具有特定图形的柔性掩膜形成。

(7)采用Pt丝作为引线，通过压焊方式将引线压接在焊盘A、焊盘B、焊盘C，获得连接在焊盘A和焊盘B上的热电偶引线，以及连接在焊盘C的补偿电阻引线，得到发动机叶片薄膜温度传感器。

经测试，实施例1制备的发动机叶片薄膜温度传感器可以测试1300℃以上的高温，测量精度(误差)小于1％。若不设置补偿电阻薄膜，则需要采用同质材料或补偿电阻作为引线，由于引线焊点处引入了附加电动势，其测试精度(误差)大于1％。

由上述实施例中的结果可知，本发明发动机叶片薄膜温度传感器中，在热电偶冷端设置用于测量温度的补偿电阻薄膜，具有以下特点：①补偿电阻薄膜，作为一个薄膜测温电阻，所测得的温度可以作为热电偶冷端温度的补偿，不会产生因同质材料引线导入的附加热电势误差，有利于提高测量温度和测量精度；②通过设置补偿电阻薄膜，任何高温导体均可以作为信号引出导线，不需要使用同质材料引线，薄膜热电偶材料选择不受限制，同时能够避免因采用同质材料或者补偿导线引出而造成的引线材料加工困难等缺点。另外，热电偶材料可以选择不同的材料以适应不同的测量温度以及测量环境的要求。与此同时，本发明发动机叶片薄膜温度传感器，直接在发动机叶片原位制造，相对于传统粘贴、焊接、埋设的热电偶丝，具有对发动机叶片结构形状改变小、对叶片无伤害、不改变叶片周围的热流和温度场、不易脱落、贴合叶片表面测量精度高等优势。本发明发动机叶片薄膜温度传感器具有测量温度高、测量精度高、适用性强等优点，使用价值高，应用前景好。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发动机叶片薄膜温度传感器，其特征在于，所述发动机叶片薄膜温度传感器包括发动机叶片，所述发动机叶片上依次设有绝缘层和热电偶薄膜；所述热电偶薄膜由热电偶A和热电偶B搭接而成，搭接部分构成热电偶热端，作为待测温度点；所述热电偶A和热电偶B的另一端分别设有焊盘A和焊盘B，构成热电偶冷端；所述焊盘A和焊盘B之间设有用于测量热电偶冷端温度的补偿电阻薄膜，作为冷端补偿电阻。

2.根据权利要求1所述的发动机叶片薄膜温度传感器，其特征在于，所述补偿电阻薄膜为Pt、NiCr、PtRh中的其中一种薄膜或者为这些材料的复合薄膜；所述补偿电阻薄膜的厚度为0.5μm～10μm。

3.根据权利要求2所述的发动机叶片薄膜温度传感器，其特征在于，所述补偿电阻薄膜两端还设有焊盘C；所述焊盘C的材料为Pt、Al、Au中的至少一种；所述焊盘C的厚度为1μm～5μm；

所述焊盘C上连接有补偿电阻引线；所述补偿电阻引线为Pt丝、NiCr丝、Au丝中的至少一种。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的发动机叶片薄膜温度传感器，其特征在于，所述绝缘层为Al₂O₃、SiO₂、YSZ、Ta₂O₅中的其中一种薄膜或者为这些材料的复合薄膜；所述绝缘层的厚度为不小于10μm。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的发动机叶片薄膜温度传感器，其特征在于，所述热电偶A为Pt薄膜；所述热电偶A的厚度为0.5μm～10μm；所述热电偶B为Pt_0.87Rh_0.13薄膜或ITO薄膜；所述热电偶B的厚度为0.5μm～10μm。

6.根据权利要求5所述的发动机叶片薄膜温度传感器，其特征在于，所述焊盘A的材料为Pt、Al、Au中的至少一种；所述焊盘A的厚度为1μm～5μm；

所述焊盘A上还连接有热电偶引线；所述热电偶引线为Pt丝、NiCr丝、Au丝中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的发动机叶片薄膜温度传感器，其特征在于，所述焊盘B的材料与焊盘A材质相同；所述焊盘B的厚度为1μm～5μm；

所述焊盘B上还连接有热电偶引线；所述热电偶引线为Pt丝、NiCr丝、Au丝中的至少一种。

8.一种如权利要求1～7中任一项所述的发动机叶片薄膜温度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对发动机叶片进行研磨、清洗处理；

S2、在发动机叶片表面制备绝缘层；

S3、在绝缘层上分别制备热电偶A和热电偶B，形成热电偶薄膜；

S4、在绝缘层上靠近热电偶薄膜冷端处制备补偿电阻薄膜。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S5、在热电偶A和热电偶B的冷端分别制备焊盘A和焊盘B；在补偿电阻薄膜两端制备焊盘C；

S6、在焊盘A和焊盘B上制备热电偶引线；在焊盘C上制备补偿电阻引线。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，依次采用2000目、3000目、5000目的金相砂纸对对发动机叶片进行研磨，单次研磨的时间为30min；所述清洗为将研磨后的发动机叶片依次置于丙酮和酒精中进行超声清洗，单次超声清洗的时间为15min；

步骤S2中，采用薄膜沉积方法、丝网印刷方法或喷涂方法制备绝缘层；

步骤S3中，采用薄膜沉积方法或丝网印刷方法制备热电偶A和热电偶B；

步骤S4中，采用薄膜沉积方法或丝网印刷方法制备补偿电阻薄膜；

步骤S5中，采用薄膜沉积方法或丝网印刷方法制备焊盘A、焊盘B和焊盘C；

步骤S6中，采用浆料烧结或压焊的方式制备热电偶引线和补偿电阻引线。

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