一种整体式热电偶的制作方法
【专利摘要】本发明涉及温度测量【技术领域】，尤其涉及一种整体式热电偶。整体式热电偶，包括第一极和第二极，其中，所述第二极设置在第一极内部，所述第一极和第二极采用不同的金属材料制成，且两者之间设置有绝缘层；所述第一极的端部设置有热结点层，且所述第二极的一端与热结点层连接。上述整体式热电偶的第二极设置在第一极内，且两者之间通过绝缘层隔离，并在第一极的端部设置热结点层连接第一极和第二极。此种结构的热电偶体积小，且具有更高的空间分辨率和更高的测量精度。
【专利说明】一种整体式热电偶
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及温度测量【技术领域】，尤其涉及一种整体式热电偶。
【背景技术】
[0002]高超声速飞行器在临近空间中飞行时，热防护是直接关系飞行器安全的关键问题之一。在确定防热措施时，实际部门首先需要知道气动加热输入飞行器表面的热流，然后才可能有针对性地设计热防护方案，包括选用合适的防热材料，以及进行合理的热结构设计等。鉴于飞行试验费用昂贵，耗时长，测量难度大，地面试验是预测表面热流的主要途径之
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[0003]地面测热技术大致分为两类:一类是温度传感器，包括电阻温度计、热电偶、量热计等；另一类是光学测热技术，包括红外测温技术、液晶测温技术、相变涂层、磷光测温技术和温度压力敏感漆等。后者的空间分辨率和灵敏度显著高于前者，还可直观地看到飞行器模型表面的温度和热流的分布情况，但在激波风洞试验中，流场杂质、模型振动等因素，严重影响光学测量的准确 性，因此目前国内外激波风洞热流测量主要依靠温度传感器。
[0004]在激波风洞试验中，实验气流的均匀区的限制，飞行器往往采用缩比模型。尖锥驻点、尖翼、凸台、缝隙等，往往是热流集中的地方，缩比之后，局部尺寸很小，对于热流传感器的的几何尺寸和空间分辨率提出了高要求。例如，激波风洞气动热试验所用柱状薄膜电阻温度计，目前最小直径约1mm，无法满足实际关心的R=0.5mm尖锐前缘驻点热流测量要求。
[0005]针对上述问题，我们需要一种尺寸较小，且具有较高空间分辨率和测量精度的温度测量装置。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出一种整体式热电阻，具有较小的尺寸，且具有较高的空间分辨率和测量精度。
[0007]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种整体式热电偶，包括第一极和第二极，其中，所述第二极设置在第一极内部，所述第一极和第二极采用不同的金属材料制成，且两者之间设置有绝缘层；
[0009]所述第一极端部设置有热结点层，所述第二极的一端与热结点层连接。
[0010]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述第一极由铜镍合金制成。
[0011]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述第二极由镍铬合金制成的金属丝。
[0012]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述金属丝的直径大于等于0.06mm。
[0013]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述第一极是由铜镍合金制成的圆锥形结构，所述圆锥形结构的中部具有放置第二极的通孔。
[0014]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述第一极的最大直径大于等于1mm。
[0015]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述热结点层所采用的材料和第一极相同。[0016]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述热结点层采用电子束物理气相沉积的方式设置在第一极上。
[0017]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述绝缘层由环氧树脂制成。
[0018]作为上述整体式热电偶的一种优选方案，所述热结点层的厚度为2 μ m，所述绝缘层的厚度为20 μ m。
[0019]本发明的有益效果为:本申请提供了一种整体式热电偶，其包括第一极以及设置在第一极内的第二级，且两者之间通过绝缘层隔离，并在第一极的端部设置热结点层连接第一极和第二极，此种结构的热电偶体积小，且具有更高的空间分辨率和更高的测量精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明【具体实施方式】提供的整体式热电阻的结构示意图；
[0021]图2是本发明【具体实施方式】提供的制备整体式热电阻热热结点层示意图；
[0022]图3是本发明【具体实施方式】提供的整体热电偶测温原理示意图。
[0023]其中:
[0024]1:第一极；2:第二极；3:绝缘层；4:热结点层；5:热电偶；6:基片台。
【具体实施方式】
[0025]下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
[0026]如图1所示，其为本实施方式提供的一种整体式热电偶，包括第一极I和第二极2，其中，第二极2设置在第一极I内部，第一极I和第二极2采用不同的金属材料制成，且两者之间设置有绝缘层3，第一极I和第二极2通过绝缘层3相互隔离；
[0027]第一极I端部设置有热结点层4，第二极2的一端与热结点层4连接，且第一极I和第二极2通过热结点层4连接。
[0028]在此实施方式中，作为优选的，第一极I由铜镍合金制成，第二极2由镍铬合金制成的金属丝。
[0029]进一步优选的，金属丝的直径大于等于0.06mm,第一极I的最大直径大于等于Imm0
[0030]上述整体式热电偶的具体结构为:第一极I是由铜镍合金制成的圆锥形结构，圆锥形结构的中部具有放置第二极的通孔，构成第二极2的金属丝穿设在圆锥结构的通孔内，且绝缘层3由环氧树脂制成针对以上提及的R=0.5mm尖锐前缘，由于本实施方式提及的整体式热电偶为圆锥结构，其头部与R=0.5mm尖锐前缘相同，实现了对较小结构热流的测量，需要说明的是，本申请方式提及的热电偶并不仅限于上述圆锥形结构，也可以根据被测量的结构任意设定热电偶的外部形状，也就是说只要被测量的结构大于第二极的横截面积，即可采用申请限定的热电偶即可进行测量。
[0031]在此实施方式中，作为优选的，热结点层4的厚度为2 μ m，绝缘层3的厚度为20μηι,第一极I的最大直径为Imm,金属丝的直径为0.06mm,因此本申请提及的热电偶头部较小，可以用来测量半径为0.5mm的尖锥驻点热流。
[0032]在此实施方式中，热结点层4所采用的材料和第一极I相同。且该热结点层4采用电子束物理气相沉积的方式设置在第一极I上。在此实施方式中，如图2所示，本申请还提供了热结点层4的具体设置方式:采用电子束物理气相沉积(EBPVD)方法，通过分别精确控制铜和镍的蒸发速率，在热电偶表面生成康铜合金薄膜作为热结点层4。
[0033]在电子束物理气相沉积(EBPVD)过程中，高能电子经电场加速、磁场聚焦后，作用于蒸发材料表面。电子迅速将能量传递给蒸发材料，使其熔化并蒸发。电子束可以蒸发各种材料，蒸发时材料置于水冷坩埚之中，可以避免坩埚材料对薄膜污染，这对于制备高纯度活性材料，特别是活性难熔材料薄膜很有好处。EBPVD可精确地控制各蒸发源的速率，以满足薄膜组分和厚度的要求。
[0034]多源电子束物理气相沉积系统(MCAS-MEBPVD)为现有装置，该系统由真空和喷流、蒸发和控制、运动和加热、飞行时间质谱仪、稀薄蒸气流场定量预测软件等5部分组成。
[0035]在制备尖锥热流传感器康铜(即铜镍合金)薄膜热结点层时，我们用MCAS-MEBPVD的两个电子枪分别蒸发两种原材料，每个电子枪都有单独的晶控仪探头来测量和控制其蒸发速率。具体情况如下:两个电子枪分别蒸发金属Ni和Cu，其纯度分别为0.99999和
0.9999，晶控仪探头分别采用XTC/2和IC/5，蒸发速率均控制在1.8A/S,在晶控仪探头表面的总沉积厚度均设定为6000人。
[0036]尖锥热电偶5于基片台6上，锥头迎向蒸发源方向。基片台6旋转轴与真空室顶部的旋转电机通过磁流体密封连接，旋转电机速率为80转/分钟。康铜薄膜沉积前，真空室经烘烤除气，压力约为5X 10_4Pa。蒸发结束后，经ICP-AES测量，尖锥热流传感表面沉积薄膜厚度约1.2m, Ni和Cu的原子比为45:54。
[0037]本实施方式提供的整体式热电偶的最小端可与第二级的直径相同，空间分辨率较传统测热传感器提高了一个 数 量级，可用于测量R0.5_的尖锥驻点热流。整体式热电偶测热传感器频响可达100kHz，完全可以满足试验时间仅为毫秒的激波风洞。
[0038]整体式热电偶的测量精度较高，7次测量结果与平均值散差小于10%。这样的测试精度明显优于传统的柱状钼薄膜电阻温度计。主要原因有三个方面:1、整体式热电偶采用的基底材料为金属，质地均匀，明显优于玻璃基底材料；2、整体式热电偶抗冲刷性较强，两极只要连接即可，与接点的大小无关；并且金属膜与金属基底的结合力远好于钼膜镀在玻璃基底上；3、整体式热电偶的最大优点就是最大限度的保证模型表面外形不变，其小至直径0.1mm的接点对外形的影响微乎其微。
[0039]为了对上述热电偶5作出进一步的介绍，本申请还提供了上述热电偶5的工作原理:整体热电偶5是基于热电效应设计的。在一定温度下，两种不同导体材料中的自由电子密度会有所差异。在它们的连接处，由于自由电子扩散，产生扩散电动势，其大小取决于两种材料性质和接触点温度。
[0040]如图3所示，两种材料形成一个回路，温度高的一端称为测量端或热端，温度低的一端称为参考端或冷端。通常参考端温度TO保持不变，则热电势只依赖测量端温度T，即
[0041]Eab(Xt0)t0 = Ea^t) (I)
[0042]镍铬丝即第二极2很细，其头部由于气动加热所引起的温度变化，可以近似用一维半无限体热传导方程描述，即
[0043]
【权利要求】
1.一种整体式热电偶，包括第一极和第二极，其特征在于，所述第二极设置在第一极内部，所述第一极和第二极采用不同的金属材料制成，且两者之间设置有绝缘层； 所述第一极的端部设置有热结点层，且所述第二极的一端与热结点层连接。
2.根据权利要求1所述的整体式热电偶，其特征在于，所述第一极由铜镍合金制成。
3.根据权利要求1所述的整体式热电偶，其特征在于，所述第二极是由镍铬合金制成的金属丝。
4.根据权利要求3所述的整体式热电偶，其特征在于，所述金属丝的直径大于等于0.06mm。
5.根据权利要求2所述的整体式热电偶，其特征在于，所述第一极是由铜镍合金制成的圆锥形结构，所述圆锥形结构的中部具有放置第二极的通孔。
6.根据权利要求5所述的整体式热电偶，其特征在于，所述第一极的最大直径大于等于 Imnin
7.根据权利要求1所述的整体式热电偶，其特征在于，所述热结点层所采用的材料和第一极相同。
8.根据权利要求7所述的整体式热电偶，其特征在于，所述热结点层采用电子束物理气相沉积的方式设置在第一极上。
9.根据权利要求1所述的整体式热电偶，其特征在于，所述绝缘层由环氧树脂制成。
10.根据权利要求1所述的整体式热电偶，其特征在于，所述热结点层的厚度为2μπι，所述绝缘层的厚度为20 μ m。
【文档编号】G01K7/02GK103592046SQ201310497597
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】吴松, 舒勇华, 李进平, 俞鸿儒 申请人:中国科学院力学研究所