[发明专利]一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热流传感器,特别是一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法。 

背景技术

热流传感器在科学研究、航空航天、动力工程等方面有广泛的应用，传统的热流传感器制备工艺复杂且设备昂贵，不符合热流传感器产业化的制备封装简单、整体成本较低的需求。同时传统的热流传感器受限于材料的选择及封装工艺的困难，在高温大热流环境下不能满足较长时间测量的要求。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法，满足在高温大热流环境下进行较长时间测量的要求，提高热流传感器的测试精度，避免传统热流传感器利用温度反推热流密度的繁复演算和不准确性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于高温大热流测量的热流传感器，包括底座，所述底座上固定有支架，所述支架上设有上盖，所述上盖下表面设有上绝缘层，所述底座上表面设有下绝缘层，所述上绝缘层和下绝缘层上均固定有热电偶，且两个热电偶的一端均自所述支架向外引出，两个热电偶的另一端通过连接导线连接；所述连接导线外包覆有热障层，且所述热障层上下底面分别与上绝缘层和下绝缘层接触。

所述两个热电偶靠近所述上绝缘层和下绝缘层的一端均折弯成半圆形，以增加热电偶与绝缘层之间的接触面积，提高测试精度。

所述热障层上下底面分别覆盖所述两个热电偶的半圆形部分。

所述上绝缘层和下绝缘层的材料均为Al₂O₃或SiO₂，所述上绝缘层和下绝缘层的厚度均为1—3μm。

所述热电偶材料为镍铬-镍硅的K型热偶材料、铂铑13-铂的R型热偶材料、铂铑10-铂的S型热偶材料、铂铑30-铂铑6的B型热偶材料中的一种。

所述上绝缘层和下绝缘层的位置相对，且所述上绝缘层和下绝缘层两端分别对齐，使得制作更加简单，更加方便计算热流密度。

所述两个热电偶的半圆形部分分别固定在所述上绝缘层和下绝缘层的中部，且所述两个热电偶的半圆形部分位置相对，更加方便计算热流密度。

所述下绝缘层上还设有测温热电偶，用于热流传感器工作时同步测量温度信号，实时监控热流传感器工作工程中的温度。

本发明还提供了一种上述用于高温大热流测量的热流传感器的制备方法，该方法为：

1）对上盖和底座表面进行超声清洗；

2）采用热氧化的方式在传感器的上盖和底座表面制备1—3μm厚的SiO₂或Al₂O₃绝缘薄膜；

3）在上盖下表面和底座上表面绝缘薄膜的中心部位利用高温无机胶粘附一端弯曲成半圆形的热电偶丝；

4）利用连接导线将两个热电偶丝半圆形的一端连接起来，使两个热电偶丝组成用于测量上盖与底座之间的温差信号温差热电偶；

5）在连接导线外包覆热障层材料，形成热障层；

6）在底座上表面的绝缘薄膜上粘贴测温热电偶，保证测温热电偶不被热障层覆盖；

7）在底座上焊接支架，将上盖焊接在支架顶端，且底座、支架、上盖之间形成密闭空间；焊接时保证上盖下表面和底座上表面的热电偶半圆形部分在竖直平面对齐，且热障层高度与上盖和底座之间的距离匹配。

所述SiO₂或Al₂O₃绝缘薄膜厚度为2μm。

本发明的热流传感器高温环境下测量热流的原理为：（1）根据热传导方程当热流矢量方向与等温面垂直，则有：

。

式中：q为热流密度；dT/dX为垂直于等温面方向的温度梯度；k为材料的导热系数；如果温度为T₁和T₂的两个等温面平行时：根据模型计算得出：

。

其中ΔT为两等温面温差；ΔX为两等温面之间的距离。

（2）热流通过热流传感器上盖及底座时，传感器的信号输出V_t与热障层的温差及赛贝克系数S_e的关系为： 。

根据热流密度与信号输出的关系，热流密度表述为：

。