瞬态温度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开的瞬态温度传感器属瞬态高温测试【技术领域】，该瞬态温度传感器由温度敏感单元构成,或可加温度信号调理单元组成，温度敏感单元由黑体辐射温度敏感体和圆柱状金属外壳构成，黑体辐射温度敏感体以蓝宝石为基底，在蓝宝石基底前表面设置金属薄膜，在金属薄膜上面设置热导率高的陶瓷层，在蓝宝石基底后表面设置窄带滤光膜，在窄带滤光膜后面设置光电变换器，温度信号调理单元由温度信号调理电路构成，光电变换器和温度信号调理电路采用环氧树脂整体固化并可设置在该温度传感器内部，该传感器优点有：采用黑体辐射温度敏感体能够快速精确的感知温度信号并存储记录,该传感器外形尺寸小，可测量微小空间内的瞬态高温，受环境因素影响较小，适用于火炮膛内、爆炸场等高温、高压、高冲击的恶劣环境下的瞬态高温测量。
【专利说明】瞬态温度传感器
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种瞬态温度传感器属瞬态高温测试【技术领域】，具体涉及的是一种接触式的黑体平面辐射瞬态温度传感器。该传感器可用在火炮膛内、爆炸场等高温、高压的恶劣环境下，能快速精确的感知温度信号并转换成电信号。
【背景技术】
[0002]在传统的测温【技术领域】，尤其是在兵器科学【技术领域】中，由于热电偶的温度响应特性较慢(约Is左右)，使被测温度与实际温度存在较大误差和滞后；热电阻式传感器所适用的温度范围(-200?600°C)不能满足高温场合；红外温度传感器容易受到火炮膛内，以及爆炸场等恶劣环境下烟雾的干扰。黑体式蓝宝石光纤测温计根据黑体辐射理论，利用蓝宝石光纤黑体腔传感器、锥度光纤、传导光纤、温度测量光电放大器等可以解决高温测量的难题，但仍然需要依靠光纤传输温度信息，蓝宝石光纤黑体腔传感器、锥度光纤、传导光纤和温度测量光电放大器之间连接繁杂，在狭小的测量空间不便使用，无法测量特殊位置瞬态温度信息，且高温、高压、高冲击特殊测量环境下，黑体式光纤传感器机械强度不够，抗冲击性能不足，锥度光纤、传导光纤极易受损，光纤之间信号耦合效率低，衰减严重，测得的温度数据可靠性不高，无法保证被测信息的完整、准确。因此，为了精确测得瞬态高温，迫切需要一种耐高温、响应特性快并且受环境因素影响较小的测试装置。瞬态高温的准确测量就显得尤为重要。
[0003]本发明的瞬态温度传感器，就是为了解决瞬态高温测量的难题而研制的。瞬态高温测量的共同特点是温度高，变化快，可能伴有高压或高速流动气流，一次性过程居多。因此，在测量条件非常恶劣，技术要求很高的情况下，该瞬态温度传感器能把辐射式测温技术和接触式测温技术有机地结合起来，可以顺利地解决恶劣环境下瞬态高温测量的难题。它能够克服热电偶、热电阻、红外传感器、蓝宝石光纤黑体腔传感器等表现的缺点，在瞬态高温测量领域具有很好的应用前景。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:向社会提供这种瞬态温度传感器，该传感器能够在高温、高压、高冲击下快速精确的完成对温度信号的测量。
[0005]本发明的技术方案是这样的:这种瞬态温度传感器，技术特点在于:该瞬态温度传感器由温度敏感单元构成，这是该瞬态温度传感器的一种结构；或该瞬态温度传感器由温度敏感单元和温度信号调理单元组成，这是该瞬态温度传感器的另一种结构。上述的是该瞬态温度传感器的两个技术方案。
[0006]根据以上所述的瞬态温度传感器，技术特点还有:所述的温度敏感单元由黑体辐射温度敏感体和圆柱状金属外壳构成。所述的黑体辐射温度敏感体具有将温度场点的瞬态温度信号从热能一辐射光能一电能信号连续转换的整体化黑体辐射温度敏感体结构。所述的圆柱状金属外壳如是高强度圆柱状金属外壳，高强度金属如是合金调质钢、马氏体时效钢等。
[0007]根据以上所述的瞬态温度传感器，技术特点还有:所述的整体化黑体辐射温度敏感体结构是蓝宝石a -Al2O3为基底，厚度为1.0~10.0_，在蓝宝石基底前表面设置金属薄膜，在金属薄膜上面设置热导率高的陶瓷层，在蓝宝石基底后表面设置窄带滤光膜，在窄带滤光膜后面设置光电变换器，构成整体化黑体辐射温度敏感体，实现温度信号-光信号-电信号的连续转换。所述的蓝宝石基底作黑体辐射温度敏感体的优点是蓝宝石的物理化学性能稳定，机械强度好，本质绝缘，耐腐蚀，在0.3~4.0 μ m波段范围内透光性很好，熔点高达2045°C，选择来做黑体辐射温度敏感体的基底和核心件。所述的金属薄膜、窄带滤光膜如可采用沉积或溅射工艺技术或方法分别生长或镀上到蓝宝石基底前后面形成一体的黑体辐射温度敏感体结构，然后在金属薄膜上沉积或溅射热导率高的陶瓷层，在窄带滤光膜后面设置光电变换器。所述的金属薄膜可采用金属钥、或铱、或钼制造，金属薄膜厚度为1.0~50.0 μ m，所述的金属薄膜具有较高的发射率并随着温度的升高而增大，适用于高温场合。所述的热导率高的陶瓷层具有熔点高，热膨胀系数小，导热系数高并能够保护金属薄膜，防止金属薄膜层被高温氧化，所述的陶瓷层可采用氧化锆ZrO2、碳化硼B4C、或氮化娃Si3N4制造,厚度为1.0~20.0 μ m。所述的窄带滤光膜中心波长为680nm、带宽为30nm,厚度为10.0~100.0nm,该窄带滤光膜可采用二氧化钛TiO2、或二氧化硅SiO2材料制造。所述的光电变换器是高质量光电二极管或光电倍增管。
[0008]根据以上所述的瞬态温度传感器，技术特点还有:所述的或可加的温度信号调理单元由温度信号调理电路构成。所述的温度信号调理电路包括有放大电路、滤波电路，以电压信号从接口电路输出。所述的温度信号调理电路可设置在瞬态温度传感器内部。所述的光电变换器信号输出端联接温度 信号调理单元的输入端。
[0009]根据以上所述的瞬态温度传感器，技术特点还有:所述的光电变换器和温度信号调理电路采用环氧树脂整体固化。采用环氧树脂将光电变换器和温度信号调理电路等集成电路模块整体固化，使该传感器可在高温、高压的恶劣环境下安全使用。
[0010]本发明的瞬态温度传感器优点有:1.采用一体化黑体辐射温度敏感体结构使测量的温度信号实现从热能---辐射光能---电能信号的连续转换，无需过去的传导光纤、光电放大器等的繁杂连接与复杂大结构构造。2.采用整体化黑体辐射温度敏感体结构能够快速精确的感知温度信号并产生辐射光信号。3.外形尺寸小，易于测量微小空间内的瞬态高温。4.受环境因素影响较小，能够适用于火炮膛内、爆炸场等高温、高压、高冲击的恶劣环境。这种瞬态温度传感器值得采用和推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]本发明的说明书附图共有3幅:
图1是瞬态温度传感器结构方框图；
图2是瞬态温度传感器实体结构图；
图3是温度信号调理电路图。
[0012]在三图中米用了统一标号，即同一物件在三图中用同一标号。在三图中:1.黑体辐射温度敏感体；2.光电变换器；3.信号调理电路；4.信号输出接口 ；5.陶瓷层；6.金属薄膜；7.蓝宝石基底；8.窄带滤光膜；9.光电变换器与信号调理电路连接导线；10.金属外壳基底；11.信号输出导线；12.电源地线；13.电源线；14.金属壳体；Vin.输入端；Pl是电位器；R1?R7.均是电阻;U1?U4.均是运算放大器；Q1、Q2.均是NPN型三极管；C1?C3.均是电容；Vout.输出端。
【具体实施方式】
[0013]本发明的瞬态温度传感器非限定实施例如下:
实施例一.瞬态温度传感器
该例的瞬态温度传感器由温度敏感单元和温度信号调理单元组成，该例的温度敏感单元由黑体辐射温度敏感体和圆柱状金属外壳构成。所述的黑体辐射温度敏感体具有将温度场点的瞬态温度信号从热能一辐射光能一电能信号连续转换的整体化黑体辐射温度敏感体结构。所述的圆柱状金属外壳如是高强度圆柱状金属外壳，高强度金属如是合金调质钢、马氏体时效钢等。该例的整体化黑体辐射温度敏感体结构是安装在记录仪机械外壳一个端面上开的窗口内的蓝宝石α-Al2O3为基底，厚度选择1mm、或5 mm、或IOmm,在蓝宝石基底前表面溅射金属薄膜，厚度选择I μ m、或10 μ m、或20 μ m、或30 μ m、或40 μ m、或50 μ m，在金属薄膜上面溅射热导率高的陶瓷层，厚度选择I μ m、或5 μ m、或10 μ m、或20 μ m,在蓝宝石基底后表面采用磁控溅射工艺镀上窄带滤光膜，厚度选择10nm、或20nm、或30nm、或40nm、或50nm、或60nm、或70nm、或80nm、或90nm、或IOOnm,在窄带滤光膜后面设置光电变换器，构成整体化黑体辐射温度敏感体。所述的蓝宝石基底作黑体辐射温度敏感体的优点是蓝宝石的物理化学性能稳定，机械强度好，本质绝缘，耐腐蚀，在0.3?
4.0 μ m波段范围内透光性很好，熔点高达2045°C，黑体辐射温度敏感体的蓝宝石将温度场点的瞬态温度完成从热能到辐射光能的信号转换。所述的金属薄膜具有较高的发射率并随着温度的升高而增大，适用于高温场合，所述的金属薄膜可采用金属钥制造。所述的热导率高的陶瓷层具有熔点高，热膨胀系数小，导热系数高并能够保护金属薄膜，防止金属薄膜层被高温氧化，所述的陶瓷层可采用氧化锆ZrO2制造。所述的窄带滤光膜可选用中心波长为680nm、带宽为30nm,所述的窄带滤光膜可采用二氧化钛TiO2材料制造。所述的光电变换器为高质量光电二极管或光电倍增管，用来完成光电信号的转换。该例的光电变换器信号输出端联接温度信号调理单元的输入端。该例的温度信号调理单元由温度信号调理电路构成。所述的温度信号调理电路包括有放大电路、滤波电路，以电压信号从接口电路输出。该例的温度信号调理电路可设置在瞬态温度传感器内部。这种瞬态温度传感器具体结构由图1?图3联合示出，图1是瞬态温度传感器结构方框图，图1中:I是黑体辐射温度敏感体，2是光电变换器，3是信号调理电路，4是信号输出接口。图2是该例的瞬态温度传感器实体结构图，图2中:2是光电变换器，3是信号调理电路，5是陶瓷薄膜，6是金属薄膜，7是蓝宝石基底，8是窄带滤光膜，9是光电变换器与信号调理电路连接导线，10是金属外壳基底，11是信号输出导线，12是电源地线，13是电源线，14是金属壳体。图3是温度信号调理电路图，图3中:Vin是光电变换器的信号输出端，Pl是电位器，RU R2、R3、R4、R5、R6、R7是电阻，U1、U2、U3、U4是运算放大器，Q1、Q2是NPN型三极管，C1、C2、C3是电容，Vout是温度信号调理电路信号输出端。该例的光电变换器2和温度信号调理电路3采用环氧树脂整体固化。采用环氧树脂将光电变换器2和温度信号调理电路3等集成电路模块整体固化，固化后可设置在瞬态温度传感器内部，使该传感器可在高温、高压的恶劣环境下安全使用。
[0014]实施例二.瞬态温度传感器
该例的瞬态温度传感器由温度敏感单元构成，这是瞬态温度传感器的另一种结构，更简单一些，大体结构可由图2示出，该例的瞬态温度传感器与实施例一的瞬态温度传感器不同点有:1.该例的瞬态温度传感器没加有温度信号调理单元。2.该例在蓝宝石基底前表面沉积金属薄膜，所述的金属薄膜可采用金属铱、或钼制造；在金属薄膜上面沉积热导率高的陶瓷层，所述的陶瓷层可采用碳化硼B4C、或氮化硅Si3N4制造；在蓝宝石基底后表面采用脉冲激光沉积工艺镀上窄带滤光膜，所述的窄带滤光膜可采用二氧化硅SiO2制造。该例的瞬态温度传感器其余未述的，全同于实施例一中所述的，不再重述。
【权利要求】
1.一种瞬态温度传感器，特征在于:该瞬态温度传感器由温度敏感单元构成，或可加温度信号调理单元组成。
2.根据权利要求1所述的瞬态温度传感器，特征在于:所述的温度敏感单元由黑体辐射温度敏感体和圆柱状金属外壳构成，所述的黑体辐射温度敏感体具有将温度场点的瞬态温度信号从热能一辐射光能一电能信号连续转换的整体化黑体辐射温度敏感体结构。
3.根据权利要求2所述的瞬态温度传感器，特征在于:所述的整体化黑体辐射温度敏感体结构是蓝宝石为基底，在蓝宝石基底前表面设置金属薄膜，在金属薄膜上面设置热导率高的陶瓷层，在蓝宝石基底后表面设置窄带滤光膜，在窄带滤光膜后面设置光电变换器。
4.根据权利要求1所述的瞬态温度传感器，特征在于:所述的或可加的温度信号调理单元由温度信号调理电路构成，黑体辐射温度敏感体的输出端联接温度信号调理电路的输入端。
【文档编号】G01K11/20GK103776558SQ201310659087
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】尤文斌, 丁永红, 马铁华, 张瑜, 李新娥, 祖静, 裴东兴, 范锦彪, 沈大伟, 张红艳 申请人:中北大学