CN116698199B - 基于原子层热电堆的辐射热流传感器及其安装试验方法 - Google Patents

基于原子层热电堆的辐射热流传感器及其安装试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超高速风洞试验技术领域，公开了基于原子层热电堆的辐射热流传感器及其安装试验方法。该辐射热流传感器具有从外至内同中心轴线的三层结构，包括位于外层的安装套，位于中层的封装套，位于内层、从上至下顺序固定的光学玻璃、原子层热电堆和底座；原子层热电堆包括作为基底的钛酸锶晶片，位于钛酸锶晶片上表面的敏感元件，设置在敏感元件上的导电金膜，以及与导电金膜连接的导线。辐射热流传感器利用光学玻璃隔绝对流传热，采用瞬态热流传感器测量辐射光，换算得到辐射热流值，能够辨识膨胀风洞试验段等内高温气流场中的试验模型表面辐射热流，作为新型的接触式热流传感器，具有工程应用价值。

Description

基于原子层热电堆的辐射热流传感器及其安装试验方法
技术领域
本发明属于超高速风洞试验技术领域，具体涉及基于原子层热电堆的辐射热流传感器及其安装试验方法。
背景技术
膨胀风洞是一种直接模拟超高速气流速度的地面风洞试验设备，对于开展高超声速推进系统、高超声速巡航飞行器、地球大气再入以及行星进入飞行器的超高速飞行气动特性研究具有重要支撑作用。膨胀风洞的速度和焓值模拟能力突出，而且膨胀风洞运行过程中试验气流主要通过非定常膨胀获得加速，不经历滞止过程，相比反射式激波风洞等其他类型的高超声速脉冲风洞而言，能够提供离解度更低的自由来流，可以复现或更接近飞行环境。
膨胀风洞的气流速度可达10km/s，但有效试验气流持续时间极短，通常在几十到几百微秒之间。膨胀风洞的气流速度高，导致气流总温高，最高超过1万摄氏度，高速气流会在试验模型表面产生很高的辐射热流，辐射热流的热流量甚至会达到总热流量的30%以上，因此，需要测量试验模型表面的辐射热流。由于膨胀风洞的试验时间短，对测量试验模型辐射特性造成了困难和挑战，是膨胀风洞气动试验的关键问题之一。
目前，常用的热流测试方式包括非接触式测热方法和接触式测热方法。非接触式测热方法包括红外热图、磷光热图等非接触式测热方法，非接触式测热方法的缺点是一方面难以屏蔽对流热，另一方面光学吸收谱范围较窄且响应时间较长。接触式测热方法采用薄膜热电阻或同轴热电偶等接触式热流传感器，薄膜热电阻、同轴热电偶的感应面的光学吸收谱范围窄且光学吸收率偏低；为了增加接触式热流传感器感应面光学吸收率，需要在其表面沉积吸收层，吸收层又会大幅增加接触式热流传感器的响应时间，提高了研制适用于在百微秒的有效试验时间内开展辐射热流测试的辐射热流传感器难度。
当前，亟需发展基于原子层热电堆的辐射热流传感器及其安装试验方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种基于原子层热电堆的辐射热流传感器，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种基于原子层热电堆的辐射热流传感器的安装试验方法。
本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特点是，所述的辐射热流传感器与试验模型表面的测量孔相匹配；辐射热流传感器具有从外至内同中心轴线的三层结构，包括位于外层的安装套，位于中层的封装套，位于内层、从上至下顺序固定的光学玻璃、原子层热电堆和底座；
所述的安装套为轴对称的圆柱形壳体；安装套的内腔为内台阶孔，内台阶孔从上至下依次为上孔、中孔和下孔，上孔或者中孔安装光学玻璃，光学玻璃与上孔或者中孔之间设置有隔离缝隙，下孔设置内螺纹Ⅰ；安装套的外壁面为圆柱面Ⅰ，圆柱面Ⅰ的上段设置有外螺纹Ⅰ，外螺纹Ⅰ长度大于试验模型的壁厚，安装套通过外螺纹Ⅰ固定在试验模型的测量孔中；安装套的长度由试验模型的壁厚和试验模型内的安装空间高度共同确定；
所述的原子层热电堆的响应时间小于0.2μs；原子层热电堆包括作为基底的钛酸锶晶片，位于钛酸锶晶片上表面的敏感薄膜，设置在敏感薄膜两端的导电金膜，以及与导电金膜连接的导线；导线伸出辐射热流传感器的部分为引线；
所述的封装套为轴对称的台阶圆管；台阶圆管的内壁为通孔，通孔上段安装原子层热电堆，原子层热电堆的钛酸锶晶片与通孔上段之间具有隔离缝隙，通孔下段设置有与底座相匹配的内螺纹Ⅱ；台阶圆管的外壁的上段为圆柱面Ⅱ，台阶圆管的外壁的下段为螺纹段Ⅰ，圆柱面Ⅱ的外径小于螺纹段Ⅰ的外径；圆柱面Ⅱ与安装套的下孔之间设置有隔离缝隙；螺纹段Ⅰ设置有与安装套的下孔的内螺纹Ⅰ相匹配的外螺纹Ⅱ；
所述的底座为轴对称的台阶圆柱体；台阶圆柱体的外壁的上段为圆柱面Ⅲ，台阶圆柱体的外壁的下段为螺纹段Ⅱ，螺纹段Ⅱ设置有与封装套的内螺纹Ⅱ相匹配的外螺纹Ⅲ；台阶圆柱体内设置有与导线相匹配的导线通孔；
所述的光学玻璃具有i、j两种结构形式，i结构为柱形光学玻璃，j结构为锥形光学玻璃；
所述的辐射热流传感器还包括位于安装套和光学玻璃之间的密封圈Ⅰ，密封圈Ⅰ用于密封安装套和光学玻璃接触面；位于光学玻璃和封装套之间的密封圈Ⅱ，密封圈Ⅱ用于密封封装套和光学玻璃接触面；位于原子层热电堆的钛酸锶晶片的底面与底座的顶面之间的粘结层，粘结层用于固定连接钛酸锶晶片和底座，同时进行密封；位于封装套和底座的圆柱面Ⅲ之间的粘接剂，粘接剂用于辅助固定封装套和底座；套装在封装套螺纹段Ⅰ上的垫圈Ⅰ和螺母Ⅰ，通过旋紧螺母Ⅰ，将封装套固定在安装套上；套装在底座螺纹段Ⅱ上的垫圈Ⅱ和螺母Ⅱ，通过旋紧螺母Ⅱ，将底座固定在封装套上，通过调整垫圈Ⅱ高度和螺母Ⅱ固定位置，调节原子层热电堆的位置，进而调节原子层热电堆的光入射角。
进一步地，所述的安装套材质与试验模型材质相同；安装套的外螺纹Ⅰ螺距为0.5mm；
安装套的内台阶孔具有a、b、c三种结构；a结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅰ、孔Ⅱ和孔Ⅲ，孔Ⅰ的内径＜孔Ⅱ的内径＜孔Ⅲ的内径；b结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅳ、孔Ⅴ和孔Ⅵ，孔Ⅳ的内径＞孔Ⅴ的内径，孔Ⅴ的内径＜孔Ⅵ的内径；c结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅶ、孔Ⅷ和孔Ⅸ，孔Ⅶ为内径上大下小的锥形孔，孔Ⅶ的下端内径＞孔Ⅷ的内径，孔Ⅷ的内径＜孔Ⅸ的内径；
对于安装套内腔的a、b、c三种结构，光学玻璃对应的安装孔分别为在孔Ⅱ、孔Ⅳ和孔Ⅶ，孔Ⅱ、孔Ⅳ和孔Ⅶ与光学玻璃之间的隔离缝隙均为0.05mm±0.01mm；孔Ⅱ、孔Ⅳ中安装柱形光学玻璃，孔Ⅶ中安装锥形光学玻璃；a结构为常规结构，柱形光学玻璃的上表面采用密封圈Ⅰ、下表面采用密封圈Ⅱ进行接触面密封；b结构和c结构为简易结构；b结构孔Ⅳ中的柱形光学玻璃上表面与安装套的顶面平行，柱形光学玻璃下表面采用密封圈Ⅱ进行接触面密封；c结构孔Ⅶ中的锥形光学玻璃上表面与安装套的顶面平行，锥形光学玻璃下表面采用密封圈Ⅱ进行接触面密封；
对于安装套内腔的a、b、c三种结构，封装套通过外螺纹Ⅱ对应安装在孔Ⅲ、孔Ⅵ和孔Ⅸ中。
进一步地，所述的光学玻璃的材质根据试验要求确定，如果需要宽幅高透光，选用MgF2玻璃，MgF2玻璃的高透射率波段覆盖200nm～5000nm；如果需要透过红外光，选用硅玻璃；如果需要限定透过光学玻璃光波长，在光学玻璃的上表面镀相应波长的增透膜或者反射膜；
光学玻璃的高度小于安装套中对应的安装孔的高度，高度增加，光辐射透过率降低，输出信号减小；光学玻璃的高度通过光辐射透过率计算确定，要求满足光学玻璃在安装套中对应的安装孔的安装和密封要求，满足结构强度和热传导要求，防止气流冲刷损坏；
光学玻璃的直径增大，光入射角增大，直径减小，光入射角减小；光学玻璃的直径通过试验模型测量点形状、测试流场参数和测试要求确定。
进一步地，所述的原子层热电堆是光吸收层和热流感应敏感元件；原子层热电堆吸收的光波长范围为200nm～5000nm，可见光波段的光学吸收率为0.56±0.01，近紫外光波段的光学吸收率为0.9±0.01；
钛酸锶晶片厚度0.5mm，钇-钡-铜-氧化物薄膜的厚度范围200nm~250nm，引线孔直径范围0.45mm~0.6mm；钛酸锶晶片的外径小于封装套的内径，钛酸锶晶片与封装套的内径之间的隔离缝隙小于0.05mm；敏感薄膜为钇-钡-铜-氧化物薄膜；导线固定在导电金膜的引线孔中；
原子层热电堆具有d、e、f三种结构；d结构是单条膜结构，d结构的辐射热流最高，采用长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜，长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜的长度3mm，宽度1mm，两端设置对称的导电金膜，每个导电金膜上设置一个引线孔，两个引线孔左右对称，易生产，满足常规使用；e结构是多条膜结构，所测量的辐射热流最低，采用若干个尺寸相同的并列的长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜，各长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜之间通过导电金膜串联连接，导电金膜的前后两端各设置一个引线孔，两个引线孔左右对称；f结构是全覆盖结构，光入射角最大，钛酸锶晶片的上表面分为左、中、右三个部分，中部覆盖钇-钡-铜-氧化物薄膜，左侧和右侧均覆盖导电金膜，左侧和右侧的导电金膜上各设置一个引线孔，两个引线孔左右对称。
进一步地，所述的封装套材料为包括不锈钢、铝合金在内的不生锈金属材料；封装套的圆柱面Ⅱ的典型长度为5mm±1mm，圆柱面Ⅱ与安装套的下孔之间的隔离缝隙为0.05mm±0.01mm；封装套圆柱面Ⅱ的外径比螺纹段Ⅰ的外径小1mm±0.1mm；
封装套具有g、h两种结构；g结构的封装套管体内不设置冷却水管道，用于瞬态热流测量；h结构的封装套管体内设置冷却水管道，还设置有与冷却水管道相匹配的进水管和出水管，用于高温长时间热流测量，高温的温度小于500℃，时间大于10s。
进一步地，所述的底座材料为阳极化的铝合金金属材料，或者包括可加工陶瓷、高硅氧的非金属材料；导线的材料为包括银线、金线或者铂丝在内的金属丝；其中，银线的直径为0.43mm~0.5mm；
如果底座材料为阳极化的铝合金金属材料，采用环氧树脂将导线固定在导电金膜的引线孔中；如底座为包括高硅氧的绝缘材料，采用银浆、金浆或环氧树脂作为粘接剂，将导线固定在导电金膜的引线孔中；
如果底座为可加工陶瓷，采用环氧树脂、银浆、金浆或者导电浆作为粘接剂，将导线固定在导电金膜的引线孔中；或者采用模具制作方法进行底座整体加工，包括以下步骤：
S10.制作圆筒模具，在圆筒模具中固定两根对称的竖直的直径0.5mm的金属丝；
S11.在圆筒模具中填充陶瓷粉并压紧陶瓷粉；
S12.去除金属丝，在孔洞内安装金线，得到加工件；
S13.将加工件置入高温炉内烧结，直至金线融成导线，陶瓷粉形成陶瓷棒；
S14.取出陶瓷棒，拆除圆筒模具，在陶瓷棒上加工外螺纹Ⅲ，获得带导线的底座。
进一步地，所述的粘结层为502胶或者AB胶的固化物；粘接剂的材质为包括环氧树脂在内的胶；
粘接剂的固化方法包括以下步骤：
S20.组装辐射热流传感器；
S21.将辐射热流传感器组装件倒置于真空烘箱中；
S22.真空烘箱持续抽真空，直至真空度小于1000Pa停止抽真空；
S23.根据胶固化的要求，设置真空烘箱的恒温温度，打开真空烘箱的加热开关开始升温，直至真空烘箱达到预设的恒温温度；
S24.保持恒温温度，进行恒温固化，直至达到预设的固化时间；
S25.真空烘箱保持真空，进行自然冷却，直至达到设定的自然冷却时间；
S26.固化结束，从真空烘箱取出辐射热流传感器；
其中，环氧树脂的恒温温度范围为50℃~60℃，固化时间为6小时，自然冷却时间为12小时。
进一步地，所述的辐射热流传感器拆除安装套、密封圈Ⅰ、密封圈Ⅱ、光学玻璃、垫圈Ⅰ和螺母Ⅰ，获得基于原子层热电堆的对流热流传感器，用于测量试验模型的对流热流。
本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器的安装试验方法，包括以下步骤：
S31.选取a结构的安装套，倒置安装套，在安装套的中孔内安装密封圈Ⅰ；
S32.清洗光学玻璃，将光学玻璃放入安装套的中孔内；
S33.继续将密封圈Ⅱ放入在安装套的中孔内；
S34.在底座的顶面均匀涂抹粘接剂，将原子层热电堆放置在粘接剂上；待粘接剂固化后，在引线孔内灌封银浆，形成银膜，将导线插入银膜，连接导电金膜；
S35.在底座的圆柱面Ⅲ表面涂抹环氧树脂，将底座旋入封装套内，直至原子层热电堆的前端面与封装套的顶面平齐；在底座的螺纹段Ⅱ上套装垫圈Ⅱ和螺母Ⅱ，旋转螺母Ⅱ，将底座旋入并固定在封装套内；
S36.在封装套的外螺纹Ⅱ上套装垫圈Ⅰ和螺母Ⅰ，旋转螺母Ⅰ，将封装套旋入安装套中，直至封装套压紧密封圈Ⅱ；
S37.固定螺母Ⅰ，将封装套固定在安装套内，获得辐射热流传感器组装件；
S38.将辐射热流传感器组装件倒置于真空烘箱中进行粘接剂固化，获得辐射热流传感器；
S39.将辐射热流传感器安装在试验模型表面的测量孔中，光学玻璃朝向试验模型表面，引线连接超高速风洞的测控系统；
S40.进行辐射热流传感器单色激光标定，获得对应的光谱点的辐射热流数据，结合光学玻璃的光辐射透过率、光入射角以及原子层热电堆的光学吸收率，获得波长范围200nm～5000nm的光谱修正系数曲线；
S41.启动超高速风洞，开展超高速风洞试验模型辐射热流测量试验，超高速风洞测控系统获得辐射热流传感器的辐射热流测量值，关闭超高速风洞；
S42.进行数据处理，根据光谱修正系数曲线和辐射热流测量值反算试验模型表面测量点的辐射热流值。
本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器使用的原子层热电堆既是敏感元件，又是光吸收层。原子层热电堆采用钇-钡-铜-氧化物作为光吸收层，对光吸收范围宽，从近红外到近紫外，光学吸收率高；作为敏感元件，钇-钡-铜-氧化物采用微米级薄膜形态，响应时间小于0.2μs，灵敏度高。同时，在辐射热流传感器表面增加一个光学玻璃，用以隔绝对流传热，屏蔽对流传热对辐射热流测试结果的影响。辐射光透过光学玻璃后被敏感元件吸收，结合光学玻璃透光率以及敏感薄膜光学吸收率以及标定试验结果等修正得到真实辐射热流值。
本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器利用光学玻璃隔绝对流传热，采用瞬态热流传感器测量辐射光，换算得到辐射热流值，能够辨识膨胀风洞试验段等内高温气流场中的试验模型表面辐射热流，作为新型的接触式热流传感器，具有工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器的结构示意图（剖面图）；
图2a为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的安装套示意图（安装套a结构剖面图）；
图2b为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的安装套示意图（安装套b结构剖面图）；
图2c为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的安装套示意图（安装套c结构剖面图）；
图3a1为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的原子层热电堆示意图（原子层热电堆d结构剖面图）；
图3a2为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的原子层热电堆示意图（原子层热电堆d结构俯视图）；
图3b1为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的原子层热电堆示意图（原子层热电堆e结构剖面图）；
图3b2为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的原子层热电堆示意图（原子层热电堆e结构俯视图）；
图3c1为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的原子层热电堆示意图（原子层热电堆f结构剖面图）；
图3c2为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的原子层热电堆示意图（原子层热电堆f结构俯视图）；
图4a1为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的封装套示意图（封装套g结构剖面图）；
图4a2为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的封装套示意图（封装套g结构俯视图）；
图4b1为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的封装套示意图（封装套h结构剖面图）；
图4b2为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的封装套示意图（封装套h结构俯视图）；
图5为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的底座示意图（剖面图）；
图6a为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的光学玻璃示意图（光学玻璃i结构剖面图）；
图6b为本发明的基于原子层热电堆的辐射热流传感器中的光学玻璃示意图（光学玻璃j结构剖面图）。
图中，1.安装套；2.密封圈Ⅰ；3.光学玻璃；4.密封圈Ⅱ；5.原子层热电堆；6.粘结层；7.导线；8.粘接剂；9.封装套；10.底座；11.垫圈Ⅰ；12.螺母Ⅰ；13.垫圈Ⅱ；14.螺母Ⅱ；15.引线；16.钛酸锶晶片；17.导电金膜；18.钇-钡-铜-氧化物薄膜；19.引线孔；20.进水管；21.出水管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本实施例的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特点是，所述的辐射热流传感器与试验模型表面的测量孔相匹配；辐射热流传感器具有从外至内同中心轴线的三层结构，包括位于外层的安装套1，位于中层的封装套9，位于内层、从上至下顺序固定的光学玻璃3、原子层热电堆5和底座10；
如图2a、图2b、图2c所示，所述的安装套1为轴对称的圆柱形壳体；安装套1的内腔为内台阶孔，内台阶孔从上至下依次为上孔、中孔和下孔，上孔或者中孔安装光学玻璃3，光学玻璃3与上孔或者中孔之间设置有隔离缝隙，下孔设置内螺纹Ⅰ；安装套1的外壁面为圆柱面Ⅰ，圆柱面Ⅰ的上段设置有外螺纹Ⅰ，外螺纹Ⅰ长度大于试验模型的壁厚，安装套1通过外螺纹Ⅰ固定在试验模型的测量孔中；安装套1的长度由试验模型的壁厚和试验模型内的安装空间高度共同确定；
如图3a1、图3a2、图3b1、图3b2、图3c1、图3c2所示，所述的原子层热电堆5的响应时间小于0.2μs；原子层热电堆5包括作为基底的钛酸锶晶片16，位于钛酸锶晶片16上表面的敏感薄膜，设置在敏感薄膜两端的导电金膜17，以及与导电金膜17连接的导线7；导线7伸出辐射热流传感器的部分为引线15；
如图4a1、图4a2、图4b1、图4b2所示，所述的封装套9为轴对称的台阶圆管；台阶圆管的内壁为通孔，通孔上段安装原子层热电堆5，原子层热电堆5的钛酸锶晶片16与通孔上段之间具有隔离缝隙，通孔下段设置有与底座10相匹配的内螺纹Ⅱ；台阶圆管的外壁的上段为圆柱面Ⅱ，台阶圆管的外壁的下段为螺纹段Ⅰ，圆柱面Ⅱ的外径小于螺纹段Ⅰ的外径；圆柱面Ⅱ与安装套1的下孔之间设置有隔离缝隙；螺纹段Ⅰ设置有与安装套1的下孔的内螺纹Ⅰ相匹配的外螺纹Ⅱ；
如图5所示，所述的底座10为轴对称的台阶圆柱体；台阶圆柱体的外壁的上段为圆柱面Ⅲ，台阶圆柱体的外壁的下段为螺纹段Ⅱ，螺纹段Ⅱ设置有与封装套9的内螺纹Ⅱ相匹配的外螺纹Ⅲ；台阶圆柱体内设置有与导线7相匹配的导线通孔；
如图6a、图6b所示，所述的光学玻璃3具有i、j两种结构形式，i结构为柱形光学玻璃，j结构为锥形光学玻璃；
所述的辐射热流传感器还包括位于安装套1和光学玻璃3之间的密封圈Ⅰ2，密封圈Ⅰ2用于密封安装套1和光学玻璃3接触面；位于光学玻璃3和封装套9之间的密封圈Ⅱ4，密封圈Ⅱ4用于密封封装套9和光学玻璃3接触面；位于原子层热电堆5的钛酸锶晶片16的底面与底座10的顶面之间的粘结层6，粘结层6用于固定连接钛酸锶晶片16和底座10，同时进行密封；位于封装套9和底座10的圆柱面Ⅲ之间的粘接剂8，粘接剂8用于辅助固定封装套9和底座10；套装在封装套9螺纹段Ⅰ上的垫圈Ⅰ11和螺母Ⅰ12，通过旋紧螺母Ⅰ12，将封装套9固定在安装套1上；套装在底座10螺纹段Ⅱ上的垫圈Ⅱ13和螺母Ⅱ14，通过旋紧螺母Ⅱ14，将底座10固定在封装套9上，通过调整垫圈Ⅱ13高度和螺母Ⅱ14固定位置，调节原子层热电堆5的位置，进而调节原子层热电堆5的光入射角。
进一步地，所述的安装套1材质与试验模型材质相同；安装套1的外螺纹Ⅰ螺距为0.5mm；
安装套1的内台阶孔具有a、b、c三种结构；a结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅰ、孔Ⅱ和孔Ⅲ，孔Ⅰ的内径＜孔Ⅱ的内径＜孔Ⅲ的内径；b结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅳ、孔Ⅴ和孔Ⅵ，孔Ⅳ的内径＞孔Ⅴ的内径，孔Ⅴ的内径＜孔Ⅵ的内径；c结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅶ、孔Ⅷ和孔Ⅸ，孔Ⅶ为内径上大下小的锥形孔，孔Ⅶ的下端内径＞孔Ⅷ的内径，孔Ⅷ的内径＜孔Ⅸ的内径；
对于安装套1内腔的a、b、c三种结构，光学玻璃3对应的安装孔分别为在孔Ⅱ、孔Ⅳ和孔Ⅶ，孔Ⅱ、孔Ⅳ和孔Ⅶ与光学玻璃3之间的隔离缝隙均为0.05mm±0.01mm；孔Ⅱ、孔Ⅳ中安装柱形光学玻璃，孔Ⅶ中安装锥形光学玻璃；a结构为常规结构，柱形光学玻璃的上表面采用密封圈Ⅰ2、下表面采用密封圈Ⅱ4进行接触面密封；b结构和c结构为简易结构；b结构孔Ⅳ中的柱形光学玻璃上表面与安装套1的顶面平行，柱形光学玻璃下表面采用密封圈Ⅱ4进行接触面密封；c结构孔Ⅶ中的锥形光学玻璃上表面与安装套1的顶面平行，锥形光学玻璃下表面采用密封圈Ⅱ4进行接触面密封；
对于安装套1内腔的a、b、c三种结构，封装套9通过外螺纹Ⅱ对应安装在孔Ⅲ、孔Ⅵ和孔Ⅸ中。
进一步地，所述的光学玻璃3的材质根据试验要求确定，如果需要宽幅高透光，选用MgF2玻璃，MgF2玻璃的高透射率波段覆盖200nm～5000nm；如果需要透过红外光，选用硅玻璃；如果需要限定透过光学玻璃3光波长，在光学玻璃3的上表面镀相应波长的增透膜或者反射膜；
光学玻璃3的高度小于安装套1中对应的安装孔的高度，高度增加，光辐射透过率降低，输出信号减小；光学玻璃3的高度通过光辐射透过率计算确定，要求满足光学玻璃3在安装套1中对应的安装孔的安装和密封要求，满足结构强度和热传导要求，防止气流冲刷损坏；
光学玻璃3的直径增大，光入射角增大，直径减小，光入射角减小；光学玻璃3的直径通过试验模型测量点形状、测试流场参数和测试要求确定。
进一步地，所述的原子层热电堆5是光吸收层和热流感应敏感元件；原子层热电堆5吸收的光波长范围为200nm～5000nm，可见光波段的光学吸收率为0.56±0.01，近紫外光波段的光学吸收率为0.9±0.01；
钛酸锶晶片16厚度0.5mm，钇-钡-铜-氧化物薄膜18的厚度范围200nm~250nm，引线孔19直径范围0.45mm~0.6mm；钛酸锶晶片16的外径小于封装套9的内径，钛酸锶晶片16与封装套9的内径之间的隔离缝隙小于0.05mm；敏感薄膜为钇-钡-铜-氧化物薄膜18；导线7固定在导电金膜17的引线孔19中；
原子层热电堆5具有d、e、f三种结构；d结构是单条膜结构，d结构的辐射热流最高，采用长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜18，长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜18的长度3mm，宽度1mm，两端设置对称的导电金膜17，每个导电金膜17上设置一个引线孔19，两个引线孔19左右对称；e结构是多条膜结构，所测量的辐射热流最低，采用若干个尺寸相同的并列的长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜18，各长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜18之间通过导电金膜17串联连接，导电金膜17的前后两端各设置一个引线孔19，两个引线孔19左右对称；f结构是全覆盖结构，光入射角最大，钛酸锶晶片16的上表面分为左、中、右三个部分，中部覆盖钇-钡-铜-氧化物薄膜18，左侧和右侧均覆盖导电金膜17，左侧和右侧的导电金膜17上各设置一个引线孔19，两个引线孔19左右对称。
进一步地，所述的封装套9材料为包括不锈钢、铝合金在内的不生锈金属材料；封装套9的圆柱面Ⅱ的典型长度为5mm±1mm，圆柱面Ⅱ与安装套1的下孔之间的隔离缝隙为0.05mm±0.01mm；封装套9圆柱面Ⅱ的外径比螺纹段Ⅰ的外径小1mm±0.1mm；
封装套9具有g、h两种结构；g结构的封装套9管体内不设置冷却水管道，用于瞬态热流测量；h结构的封装套9管体内设置冷却水管道，还设置有与冷却水管道相匹配的进水管20和出水管21，用于高温长时间热流测量，高温的温度小于500℃，时间大于10s。
进一步地，所述的底座10材料为阳极化的铝合金金属材料，或者包括可加工陶瓷、高硅氧的非金属材料；导线7的材料为包括银线、金线或者铂丝在内的金属丝；其中，银线的直径为0.43mm~0.5mm；
如果底座10材料为阳极化的铝合金金属材料，采用环氧树脂将导线7固定在导电金膜17的引线孔19中；如底座10为包括高硅氧的绝缘材料，采用银浆、金浆或环氧树脂作为粘接剂8，将导线7固定在导电金膜17的引线孔19中；
如果底座10为可加工陶瓷，采用环氧树脂、银浆、金浆或者导电浆作为粘接剂8，将导线7固定在导电金膜17的引线孔19中；或者采用模具制作方法进行底座10整体加工，包括以下步骤：
S10.制作圆筒模具，在圆筒模具中固定两根对称的竖直的直径0.5mm的金属丝；
S11.在圆筒模具中填充陶瓷粉并压紧陶瓷粉；
S12.去除金属丝，在孔洞内安装金线，得到加工件；
S13.将加工件置入高温炉内烧结，直至金线融成导线7，陶瓷粉形成陶瓷棒；
S14.取出陶瓷棒，拆除圆筒模具，在陶瓷棒上加工外螺纹Ⅲ，获得带导线7的底座10。
进一步地，所述的粘结层6为502胶或者AB胶的固化物；粘接剂8的材质为包括环氧树脂在内的胶；
粘接剂8的固化方法包括以下步骤：
S20.组装辐射热流传感器；
S21.将辐射热流传感器组装件倒置于真空烘箱中；
S22.真空烘箱持续抽真空，直至真空度小于1000Pa停止抽真空；
S23.根据胶固化的要求，设置真空烘箱的恒温温度，打开真空烘箱的加热开关开始升温，直至真空烘箱达到预设的恒温温度；
S24.保持恒温温度，进行恒温固化，直至达到预设的固化时间；
S25.真空烘箱保持真空，进行自然冷却，直至达到设定的自然冷却时间；
S26.固化结束，从真空烘箱取出辐射热流传感器；
其中，环氧树脂的恒温温度范围为50℃~60℃，固化时间为6小时，自然冷却时间为12小时。
进一步地，所述的辐射热流传感器拆除安装套1、密封圈Ⅰ2、密封圈Ⅱ4、光学玻璃3、垫圈Ⅰ11和螺母Ⅰ12，获得基于原子层热电堆5的对流热流传感器，用于测量试验模型的对流热流。
本实施例的基于原子层热电堆的辐射热流传感器的安装试验方法，包括以下步骤：
S31.选取a结构的安装套1，倒置安装套1，在安装套1的中孔内安装密封圈Ⅰ2；
S32.清洗光学玻璃3，将光学玻璃3放入安装套1的中孔内；
S33.继续将密封圈Ⅱ4放入在安装套1的中孔内；
S34.在底座10的顶面均匀涂抹粘接剂8，将原子层热电堆5放置在粘接剂8上；待粘接剂8固化后，在引线孔19内灌封银浆，形成银膜，将导线7插入银膜，连接导电金膜17；
S35.在底座10的圆柱面Ⅲ表面涂抹环氧树脂，将底座10旋入封装套9内，直至原子层热电堆5的前端面与封装套9的顶面平齐；在底座10的螺纹段Ⅱ上套装垫圈Ⅱ13和螺母Ⅱ14，旋转螺母Ⅱ14，将底座10旋入并固定在封装套9内；
S36.在封装套9的外螺纹Ⅱ上套装垫圈Ⅰ11和螺母Ⅰ12，旋转螺母Ⅰ12，将封装套9旋入安装套1中，直至封装套9压紧密封圈Ⅱ4；
S37.固定螺母Ⅰ12，将封装套9固定在安装套1内，获得辐射热流传感器组装件；
S38.将辐射热流传感器组装件倒置于真空烘箱中进行粘接剂8固化，获得辐射热流传感器；
S39.将辐射热流传感器安装在试验模型表面的测量孔中，光学玻璃3朝向试验模型表面，引线15连接超高速风洞的测控系统；
S40.进行辐射热流传感器单色激光标定，获得对应的光谱点的辐射热流数据，结合光学玻璃3的光辐射透过率、光入射角以及原子层热电堆5的光学吸收率，获得波长范围200nm～5000nm的光谱修正系数曲线；
S41.启动超高速风洞，开展超高速风洞试验模型辐射热流测量试验，超高速风洞测控系统获得辐射热流传感器的辐射热流测量值，关闭超高速风洞；
S42.进行数据处理，根据光谱修正系数曲线和辐射热流测量值反算试验模型表面测量点的辐射热流值。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特征在于，所述的辐射热流传感器与试验模型表面的测量孔相匹配；辐射热流传感器具有从外至内同中心轴线的三层结构，包括位于外层的安装套（1），位于中层的封装套（9），位于内层、从上至下顺序固定的光学玻璃（3）、原子层热电堆（5）和底座（10）；
所述的安装套（1）为轴对称的圆柱形壳体；安装套（1）的内腔为内台阶孔，内台阶孔从上至下依次为上孔、中孔和下孔，上孔或者中孔安装光学玻璃（3），光学玻璃（3）与上孔或者中孔之间设置有隔离缝隙，下孔设置内螺纹Ⅰ；安装套（1）的外壁面为圆柱面Ⅰ，圆柱面Ⅰ的上段设置有外螺纹Ⅰ，外螺纹Ⅰ长度大于试验模型的壁厚，安装套（1）通过外螺纹Ⅰ固定在试验模型的测量孔中；安装套（1）的长度由试验模型的壁厚和试验模型内的安装空间高度共同确定；
所述的原子层热电堆（5）的响应时间小于0.2μs；原子层热电堆（5）包括作为基底的钛酸锶晶片（16），位于钛酸锶晶片（16）上表面的敏感薄膜，设置在敏感薄膜两端的导电金膜（17），以及与导电金膜（17）连接的导线（7）；导线（7）伸出辐射热流传感器的部分为引线（15）；
所述的封装套（9）为轴对称的台阶圆管；台阶圆管的内壁为通孔，通孔上段安装原子层热电堆（5），原子层热电堆（5）的钛酸锶晶片（16）与通孔上段之间具有隔离缝隙，通孔下段设置有与底座（10）相匹配的内螺纹Ⅱ；台阶圆管的外壁的上段为圆柱面Ⅱ，台阶圆管的外壁的下段为螺纹段Ⅰ，圆柱面Ⅱ的外径小于螺纹段Ⅰ的外径；圆柱面Ⅱ与安装套（1）的下孔之间设置有隔离缝隙；螺纹段Ⅰ设置有与安装套（1）的下孔的内螺纹Ⅰ相匹配的外螺纹Ⅱ；
所述的底座（10）为轴对称的台阶圆柱体；台阶圆柱体的外壁的上段为圆柱面Ⅲ，台阶圆柱体的外壁的下段为螺纹段Ⅱ，螺纹段Ⅱ设置有与封装套（9）的内螺纹Ⅱ相匹配的外螺纹Ⅲ；台阶圆柱体内设置有与导线（7）相匹配的导线通孔；
所述的光学玻璃（3）具有i、j两种结构形式，i结构为柱形光学玻璃，j结构为锥形光学玻璃；
所述的辐射热流传感器还包括位于安装套（1）和光学玻璃（3）之间的密封圈Ⅰ（2），密封圈Ⅰ（2）用于密封安装套（1）和光学玻璃（3）接触面；位于光学玻璃（3）和封装套（9）之间的密封圈Ⅱ（4），密封圈Ⅱ（4）用于密封封装套（9）和光学玻璃（3）接触面；位于原子层热电堆（5）的钛酸锶晶片（16）的底面与底座（10）的顶面之间的粘结层（6），粘结层（6）用于固定连接钛酸锶晶片（16）和底座（10），同时进行密封；位于封装套（9）和底座（10）的圆柱面Ⅲ之间的粘接剂（8），粘接剂（8）用于辅助固定封装套（9）和底座（10）；套装在封装套（9）螺纹段Ⅰ上的垫圈Ⅰ（11）和螺母Ⅰ（12），通过旋紧螺母Ⅰ（12），将封装套（9）固定在安装套（1）上；套装在底座（10）螺纹段Ⅱ上的垫圈Ⅱ（13）和螺母Ⅱ（14），通过旋紧螺母Ⅱ（14），将底座（10）固定在封装套（9）上，通过调整垫圈Ⅱ（13）高度和螺母Ⅱ（14）固定位置，调节原子层热电堆（5）的位置，进而调节原子层热电堆（5）的光入射角。
2.根据权利要求1所述的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特征在于，所述的安装套（1）材质与试验模型材质相同；安装套（1）的外螺纹Ⅰ螺距为0.5mm；
安装套（1）的内台阶孔具有a、b、c三种结构；a结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅰ、孔Ⅱ和孔Ⅲ，孔Ⅰ的内径＜孔Ⅱ的内径＜孔Ⅲ的内径；b结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅳ、孔Ⅴ和孔Ⅵ，孔Ⅳ的内径＞孔Ⅴ的内径，孔Ⅴ的内径＜孔Ⅵ的内径；c结构的上孔、中孔和下孔分别对应孔Ⅶ、孔Ⅷ和孔Ⅸ，孔Ⅶ为内径上大下小的锥形孔，孔Ⅶ的下端内径＞孔Ⅷ的内径，孔Ⅷ的内径＜孔Ⅸ的内径；
对于安装套（1）内腔的a、b、c三种结构，光学玻璃（3）对应的安装孔分别为在孔Ⅱ、孔Ⅳ和孔Ⅶ，孔Ⅱ、孔Ⅳ和孔Ⅶ与光学玻璃（3）之间的隔离缝隙均为0.05mm±0.01mm；孔Ⅱ、孔Ⅳ中安装柱形光学玻璃，孔Ⅶ中安装锥形光学玻璃；a结构为常规结构，柱形光学玻璃的上表面采用密封圈Ⅰ（2）、下表面采用密封圈Ⅱ（4）进行接触面密封；b结构和c结构为简易结构；b结构孔Ⅳ中的柱形光学玻璃上表面与安装套（1）的顶面平行，柱形光学玻璃下表面采用密封圈Ⅱ（4）进行接触面密封；c结构孔Ⅶ中的锥形光学玻璃上表面与安装套（1）的顶面平行，锥形光学玻璃下表面采用密封圈Ⅱ（4）进行接触面密封；
对于安装套（1）内腔的a、b、c三种结构，封装套（9）通过外螺纹Ⅱ对应安装在孔Ⅲ、孔Ⅵ和孔Ⅸ中。
3.根据权利要求1所述的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特征在于，所述的光学玻璃（3）的材质根据试验要求确定，如果需要宽幅高透光，选用MgF2玻璃，MgF2玻璃的高透射率波段覆盖200nm～5000nm；如果需要透过红外光，选用硅玻璃；如果需要限定透过光学玻璃（3）光波长，在光学玻璃（3）的上表面镀相应波长的增透膜或者反射膜；
光学玻璃（3）的高度小于安装套（1）中对应的安装孔的高度，高度增加，光辐射透过率降低，输出信号减小；光学玻璃（3）的高度通过光辐射透过率计算确定，要求满足光学玻璃（3）在安装套（1）中对应的安装孔的安装和密封要求，满足结构强度和热传导要求，防止气流冲刷损坏；
光学玻璃（3）的直径增大，光入射角增大，直径减小，光入射角减小；光学玻璃（3）的直径通过试验模型测量点形状、测试流场参数和测试要求确定。
4.根据权利要求1所述的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特征在于，所述的原子层热电堆（5）是光吸收层和热流感应敏感元件；原子层热电堆（5）吸收的光波长范围为200nm～5000nm，可见光波段的光学吸收率为0.56±0.01，近紫外光波段的光学吸收率为0.9±0.01；
钛酸锶晶片（16）厚度0.5mm，钇-钡-铜-氧化物薄膜（18）的厚度范围200nm~250nm，引线孔（19）直径范围0.45mm~0.6mm；钛酸锶晶片（16）的外径小于封装套（9）的内径，钛酸锶晶片（16）与封装套（9）的内径之间的隔离缝隙小于0.05mm；敏感薄膜为钇-钡-铜-氧化物薄膜（18）；导线（7）固定在导电金膜（17）的引线孔（19）中；
原子层热电堆（5）具有d、e、f三种结构；d结构是单条膜结构，d结构的辐射热流最高，采用长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜（18），长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜（18）的长度3mm，宽度1mm，两端设置对称的导电金膜（17），每个导电金膜（17）上设置一个引线孔（19），两个引线孔（19）左右对称；e结构是多条膜结构，所测量的辐射热流最低，采用若干个尺寸相同的并列的长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜（18），各长条形的钇-钡-铜-氧化物薄膜（18）之间通过导电金膜（17）串联连接，导电金膜（17）的前后两端各设置一个引线孔（19），两个引线孔（19）左右对称；f结构是全覆盖结构，光入射角最大，钛酸锶晶片（16）的上表面分为左、中、右三个部分，中部覆盖钇-钡-铜-氧化物薄膜（18），左侧和右侧均覆盖导电金膜（17），左侧和右侧的导电金膜（17）上各设置一个引线孔（19），两个引线孔（19）左右对称。
5.根据权利要求1所述的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特征在于，所述的封装套（9）材料为包括不锈钢、铝合金在内的不生锈金属材料；封装套（9）的圆柱面Ⅱ的长度为5mm±1mm，圆柱面Ⅱ与安装套（1）的下孔之间的隔离缝隙为0.05mm±0.01mm；封装套（9）圆柱面Ⅱ的外径比螺纹段Ⅰ的外径小1mm±0.1mm；
封装套（9）具有g、h两种结构；g结构的封装套（9）管体内不设置冷却水管道，用于瞬态热流测量；h结构的封装套（9）管体内设置冷却水管道，还设置有与冷却水管道相匹配的进水管（20）和出水管（21），用于高温长时间热流测量，高温的温度小于500℃，时间大于10s。
6.根据权利要求1所述的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特征在于，所述的底座（10）材料为阳极化的铝合金金属材料，或者包括可加工陶瓷、高氧的非金属材料；导线（7）的材料为包括银线、金线或者铂丝在内的金属丝；其中，银线的直径为0.43mm~0.5mm；
如果底座（10）材料为阳极化的铝合金金属材料，采用环氧树脂将导线（7）固定在导电金膜（17）的引线孔（19）中；如底座（10）为包括高硅氧的绝缘材料，采用银浆、金浆或环氧树脂作为粘接剂（8），将导线（7）固定在导电金膜（17）的引线孔（19）中；
如果底座（10）为可加工陶瓷，采用环氧树脂、银浆、金浆或者导电浆作为粘接剂（8），将导线（7）固定在导电金膜（17）的引线孔（19）中；或者采用模具制作方法进行底座（10）整体加工，包括以下步骤：
S10.制作圆筒模具，在圆筒模具中固定两根对称的竖直的直径0.5mm的金属丝；
S11.在圆筒模具中填充陶瓷粉并压紧陶瓷粉；
S12.去除金属丝，在孔洞内安装金线，得到加工件；
S13.将加工件置入高温炉内烧结，直至金线融成导线（7），陶瓷粉形成陶瓷棒；
S14.取出陶瓷棒，拆除圆筒模具，在陶瓷棒上加工外螺纹Ⅲ，获得带导线（7）的底座（10）。
7.根据权利要求1所述的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特征在于，所述的粘结层（6）为502胶或者AB胶的固化物；粘接剂（8）的材质为包括环氧树脂在内的胶；
粘接剂（8）的固化方法包括以下步骤：
S20.组装辐射热流传感器；
S21.将辐射热流传感器组装件倒置于真空烘箱中；
S22.真空烘箱持续抽真空，直至真空度小于1000Pa停止抽真空；
S23.根据胶固化的要求，设置真空烘箱的恒温温度，打开真空烘箱的加热开关开始升温，直至真空烘箱达到预设的恒温温度；
S24.保持恒温温度，进行恒温固化，直至达到预设的固化时间；
S25.真空烘箱保持真空，进行自然冷却，直至达到设定的自然冷却时间；
S26.固化结束，从真空烘箱取出辐射热流传感器；
其中，环氧树脂的恒温温度范围为50℃~60℃，固化时间为6小时，自然冷却时间为12小时。
8.根据权利要求1所述的基于原子层热电堆的辐射热流传感器，其特征在于，所述的辐射热流传感器拆除安装套（1）、密封圈Ⅰ（2）、密封圈Ⅱ（4）、光学玻璃（3）、垫圈Ⅰ（11）和螺母Ⅰ（12），获得基于原子层热电堆（5）的对流热流传感器，用于测量试验模型的对流热流。
9.基于原子层热电堆的辐射热流传感器的安装试验方法，其用于权利要求1~权利要求8任意一项所述的基于原子层热电堆的辐射热流传感器的安装试验，其特征在于，所述的安装试验方法包括以下步骤：
S31.选取a结构的安装套（1），倒置安装套（1），在安装套（1）的中孔内安装密封圈Ⅰ（2）；
S32.清洗光学玻璃（3），将光学玻璃（3）放入安装套（1）的中孔内；
S33.继续将密封圈Ⅱ（4）放入在安装套（1）的中孔内；
S34.在底座（10）的顶面均匀涂抹粘接剂（8），将原子层热电堆（5）放置在粘接剂（8）上；待粘接剂（8）固化后，在引线孔（19）内灌封银浆，形成银膜，将导线（7）插入银膜，连接导电金膜（17）；
S35.在底座（10）的圆柱面Ⅲ表面涂抹环氧树脂，将底座（10）旋入封装套（9）内，直至原子层热电堆（5）的前端面与封装套（9）的顶面平齐；在底座（10）的螺纹段Ⅱ上套装垫圈Ⅱ（13）和螺母Ⅱ（14），旋转螺母Ⅱ（14），将底座（10）旋入并固定在封装套（9）内；
S36.在封装套（9）的外螺纹Ⅱ上套装垫圈Ⅰ（11）和螺母Ⅰ（12），旋转螺母Ⅰ（12），将封装套（9）旋入安装套（1）中，直至封装套（9）压紧密封圈Ⅱ（4）；
S37.固定螺母Ⅰ（12），将封装套（9）固定在安装套（1）内，获得辐射热流传感器组装件；
S38.将辐射热流传感器组装件倒置于真空烘箱中进行粘接剂（8）固化，获得辐射热流传感器；
S39.将辐射热流传感器安装在试验模型表面的测量孔中，光学玻璃（3）朝向试验模型表面，引线（15）连接超高速风洞的测控系统；
S40.进行辐射热流传感器单色激光标定，获得对应的光谱点的辐射热流数据，结合光学玻璃（3）的光辐射透过率、光入射角以及原子层热电堆（5）的光学吸收率，获得波长范围200nm～5000nm的光谱修正系数曲线；
S41.启动超高速风洞，开展超高速风洞试验模型辐射热流测量试验，超高速风洞测控系统获得辐射热流传感器的辐射热流测量值，关闭超高速风洞；
S42.进行数据处理，根据光谱修正系数曲线和辐射热流测量值反算试验模型表面测量点的辐射热流值。
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