传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法

1.本发明涉及传感器件的技术领域，特别是涉及一种传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法。


背景技术：

2.现有大多热传感器主要集中在温度、热流传感器方向研究，热对流传感器报道较少，而能适应结构复杂曲面的柔性热对流传感器更少。对流换热系数是表征复杂对流传热的系数，与材料的物理特性参数不同，它受许多因素的影响，例如流体密度，流体速度，固体表面，温度等。对流换热系数作为发动机高温热端部件冷却设计和发动机热分析系统所需的主要参数之一，对流换热系数的准确测量具有极为重要的意义。以涡轮盘设计为例，如果对流换热系数边界条件不准，则会导致盘表面温度的计算出现较大偏差，进而影响到后面的强度校核，对涡轮盘的寿命和发动机安全性造成恶劣影响。早期部件的对流换热测量的主要方法是利用热电偶测量加热面和冷却面的温度分布，再通过导热微分方程求得温度分布和表面的热流密度，进而求出表面的局部和平均对流换热系数。但这种方法对于温度边界条件十分敏感，一个很小的温度测量误差便会导致局部对流换热系数分布产生很大的改变。因此急需研发新的测试手段。
3.多年来，基于工程实际需求，涌现出较多的对流换热系数测量方法。对流换热系数测量方法中使用的专用测量工具一般被称为对流换热系数传感器。这种传感器的划分主要存在两大类：首先，根据所测对流换热过程的时间特征，可将传感器分为稳态型和瞬态型。稳态型传感器测量结果稳定，精度较高。瞬态型传感器的响应时间短，能够运用薄膜技术实现传感器的小型化及快速响应特征。现阶段国内外对于对流换热系数传感器的研制还主要集中在瞬态方面，而目前瞬态型传感器涉及的薄膜技术进展相对较为缓慢，使得许多传感器止步于理论设计阶段，无法开展相应的实验验证。但是现有的测量方法无法对界面热导进行同步测试，无法实现传感器测试结果的自验证。根据对流换热过程热流的来源，传感器又被分为自热型和非自热型。非自热型传感器的热流由测量表面提供，传感器自身不发热。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法，以解决现有技术中无法对界面热导和对流换热系数进行同步测试以及无法实现对传感器测试结果进行自验证的问题。
5.本发明的目的通过下述技术方案实现：
6.本发明提供一种传感器，包括加热薄膜、第一导热薄膜、第二导热薄膜、第三导热薄膜、第四导热薄膜、第一温度传感器以及第二温度传感器，所述第一导热薄膜、所述第二导热薄膜、所述第三导热薄膜以及所述第四导热薄膜从下至上依次层叠在所述加热薄膜的表面，所述第一导热薄膜的导热系数小于所述第二导热薄膜的导热系数，第三导热薄膜的导热系数小于第四导热薄膜的导热系数，所述第一温度传感器设于所述第二导热薄膜与所
述第三导热薄膜之间并用于测量所述第二导热薄膜的温度，所述第二温度传感器设于所述第四导热薄膜远离所述加热薄膜的一侧并用于测量所述第四导热薄膜的温度。
7.进一步地，所述传感器还包括第五导热薄膜和第六导热薄膜，所述第五导热薄膜和所述第六导热薄膜设于所述加热薄膜所述第一导热薄膜之间，所述第五导热薄膜位于所述第六导热薄膜靠近所述加热薄膜的一侧，所述第五导热薄膜的导热系数小于所述第六导热薄膜的导热系数。
8.进一步地，所述第一导热薄膜、所述第三导热薄膜以及所述第五导热薄膜的导热系数小于0.2w/m.k，所述第二导热薄膜、所述第四导热薄膜以及所述第六导热薄膜导热系数大于200w/m.k。
9.进一步地，所述第一导热薄膜、所述第三导热薄膜以及所述第五导热薄膜的导热系数相同，所述第二导热薄膜、所述第四导热薄膜以及所述第六导热薄膜的导热系数相同。
10.进一步地，所述第一导热薄膜、所述第三导热薄膜以及所述第五导热薄膜采用pi材料、pet材料或陶瓷制成，所述第二导热薄膜、所述第四导热薄膜以及所述第六导热薄膜采用金属制成。
11.进一步地，所述第二导热薄膜的厚度与所述第一温度传感器的厚度之比大于10，所述第四导热薄膜的厚度与所述第二温度传感器的厚度之比大于10。
12.进一步地，所述传感器还包括黑色涂层，所述黑色涂层涂布在所述第四导热薄膜远离所述加热薄膜的一侧并覆盖所述第二温度传感器，所述黑色涂层用于使所述传感器表面的发射率为0.95-1。
13.本发明还提供一种传感器组件，包括柔性衬底以及多个如上所述的传感器，多个所述传感器之间相互间隔并设于所述柔性衬底的表面。
14.本发明还提供一种对流换热系数测试方法，用于如上所述的传感器，所述测试方法包括：
15.控制加热薄膜以第一温度tn进行加热；
16.通过第一温度传感器和第二温度传感器分别测量第二导热薄膜和第四导热薄膜的温度，此时，所述第二导热薄膜和所述第四导热薄膜的温度分别为t
c1
和t1；
17.控制所述加热薄膜以第二温度tm进行加热；
18.通过所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别测量所述第二导热薄膜和所述第四导热薄膜的温度，此时，所述第二导热薄膜和所述第四导热薄膜的温度分别为t
c2
和t2；
19.通过所述第一温度传感器和所述第二温度传感器两次测得的温度计算出对流换热系数。
20.进一步地，所述第一温度tn与所述第二温度tm的差值小于30℃。
21.进一步地，通过所述第一温度传感器和所述第二温度传感器两次测得的温度计算出界面热导，将所述界面热导与标定界面热导进行比对，以对所述传感器的测试结果进行自验证。
22.本发明有益效果在于：第一导热薄膜、第二导热薄膜、第三导热薄膜以及第四导热薄膜从下至上依次层叠在加热薄膜的表面，第一导热薄膜的导热系数小于第二导热薄膜的导热系数，第三导热薄膜的导热系数小于第四导热薄膜的导热系数，第一温度传感器设于
第二导热薄膜与第三导热薄膜之间并用于测量第二导热薄膜的温度，第二温度传感器设于第四导热薄膜远离加热薄膜的一侧并用于测量第四导热薄膜的温度。通过加热薄膜来对传感器进行加热，从而可以改变加热薄膜的功率使得第一温度传感器第二温度传感器可以测量多组数据，以建立方程组同时计算出界面热导和对流换热系数，还可以通过计算出的界面热导与标定的界面热导进行比对，以对测试结构的准确性进行验证。
附图说明
23.图1是本发明中传感器应用场景的结构示意图之一；
24.图2是本发明中传感器的截面结构示意图；
25.图3是本发明中传感器应用场景的结构示意图之二；
26.图4是本发明中传感器组件的结构示意图；
27.图5是本发明中对流换热系数测试方法的流程框图。
具体实施方式
28.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
29.图1是本发明中传感器应用场景的结构示意图之一，图2是本发明中传感器的截面结构示意图，图3是本发明中传感器应用场景的结构示意图之二。
30.如图1至图3所示，本发明提供的一种传感器100，包括加热薄膜10、第一导热薄膜21、第二导热薄膜31、第三导热薄膜22、第四导热薄膜32、第一温度传感器41以及第二温度传感器42，第一导热薄膜21、第二导热薄膜31、第三导热薄膜22以及第四导热薄膜32从下至上依次层叠在加热薄膜10的表面，第一导热薄膜21的导热系数小于第二导热薄膜31的导热系数，第三导热薄膜22的导热系数小于第四导热薄膜32的导热系数，第一温度传感器41设于第二导热薄膜31与第三导热薄膜22之间并用于测量第二导热薄膜31的温度，第二温度传感器42设于第四导热薄膜32远离加热薄膜10的一侧并用于测量第四导热薄膜32的温度。
31.进一步地，传感器100还包括第五导热薄膜23和第六导热薄膜33，第五导热薄膜23的导热系数小于第六导热薄膜33的导热系数。第五导热薄膜23和第六导热薄膜33设于加热薄膜10与第一导热薄膜21之间，第五导热薄膜23位于第六导热薄膜33靠近加热薄膜10的一侧，即第五导热薄膜23、第六导热薄膜33、第一导热薄膜21、第二导热薄膜31、第三导热薄膜22以及第四导热薄膜32从下至上依次层叠在加热薄膜10的表面。设置第五导热薄膜23和第六导热薄膜33可以使加热薄膜10发出的热量更加均匀的传递至第二导热薄膜31和第四导热薄膜32上。而第一导热薄膜21、第二导热薄膜31、第三导热薄膜22以第四导热薄膜32层叠设置可以使在厚度方向上的薄膜处于等温状，即每一层薄膜为一个等温层。第三导热薄膜22可以使得第二导热薄膜31与第四导热薄膜32之间具有一定温差，第一温度传感器41和第二温度传感器42测量的温度值具有一定的差值，以便于数据的测量。本实施例中，第一导热薄膜21、第三导热薄膜22和第五导热薄膜23任意之一的导热系数小于第二导热薄膜31、第四导热薄膜32和第六导热薄膜33任意之一的导热系数。
32.其中，加热薄膜10里面设有电阻丝或电阻片，在通入电流后会产生热量。温度传感
器(第一温度传感器41、第二温度传感器42)可采用磁控溅射方法将具有温度敏感功能的材料(例如热电偶薄膜)分步溅射在第二导热薄膜31和第四导热薄膜32上制得，温度传感器优选热电偶薄膜材料，例如t型、k型等热电偶，具体结构和工艺可参考现有技术，这里不再赘述。
33.进一步地，第一导热薄膜21、第三导热薄膜22和第五导热薄膜23均为低导热薄膜，即第一导热薄膜21、第三导热薄膜22和第五导热薄膜23的导热系数均小于0.2w/m.k；而第二导热薄膜31、第四导热薄膜32和第六导热薄膜33均为高导热薄膜，即第二导热薄膜31、第四导热薄膜32和第六导热薄膜33的导热系数大于200w/m.k。优选地，第一导热薄膜21、第二导热薄膜31、第三导热薄膜22、第四导热薄膜32、第五导热薄膜23以及第六导热薄膜33的厚度相同，当然，在其他实施例中也可以不相同。
34.进一步地，第一导热薄膜21、第三导热薄膜22和第五导热薄膜23的导热系数相同，第二导热薄膜31、第四导热薄膜32和第六导热薄膜33的导热系数相同。
35.本实施例中，第一导热薄膜21、第三导热薄膜22和第五导热薄膜23采用pi(聚酰亚胺，polyimide film)材料、pet(塑料，polyethylene terephthalate)材料或陶瓷制成，第二导热薄膜31、第四导热薄膜32和第六导热薄膜33采用金属制成。优选地，加热薄膜10采用柔性材料制成，例如使用柔性保护膜包裹住电阻丝或电阻片，第二导热薄膜31、第四导热薄膜32和第六导热薄膜33采用铜(例如紫铜)制成。当第一导热薄膜21、第三导热薄膜22和第五导热薄膜23采用pi材料时，整个传感器100就具有了柔性，以便于将传感器100安装在具有曲面的待测物体300的表面，如图1和图3所示，其中图3中的待测物体300为发动机喷管，面向大型装备表面对流换热系数测试中，可将使用多层薄膜叠加方式制作传感器，并可通过胶粘(低温环境下)方式与装备集成。
36.进一步地，第二导热薄膜31的厚度与第一温度传感器41的厚度之比大于10，第四导热薄膜32的厚度与第二温度传感器42的厚度之比大于10。厚度之比越大，则温度传感器对二维平面散热影响越小，即温度传感器在水平方向上的导热较小，使热量朝着厚度方向传递，所以第二导热薄膜31和第四导热薄膜32可分别看作是一个等温层，即在二维平面上看，温度传感器对应区域与没有温度传感器区域的温度相同，可确保厚度方向为主传热路径，提高测试结果的精度。优选地，第一温度传感器41与第二温度传感器42的位置上下对应，当然，因为第二导热薄膜31和第四导热薄膜32可以看作是等温层，降低了对温度传感器位置要求，所以第一温度传感器41与第二温度传感器42的位置也可以不用上下对应，降低了传感器100的制备难度，而第一温度传感器41与第二温度传感器42相互错开可以减小对传感器100厚度的影响，避免传感器100在同一区域的厚度较厚，以减小对传热的影响。
37.本实施例中，传感器100还包括黑色涂层50，黑色涂层50涂布在第四导热薄膜32远离加热薄膜10的一侧并覆盖第二温度传感器42，黑色涂层50用于使传感器100表面的发射率为0.95-1。在传感器100的上表面涂布黑色涂层50，使传感器100表面的发射率近似等于1，发射率越接近1越好，消除了表面发射率对检测结果的影响。优选地，第四导热薄膜32的厚度与黑色涂层50的厚度之比大于20，减小黑色涂层50对传感器100检测结果的影响。
38.本实施例中，低导热薄膜为三层，即第一导热薄膜21、第三导热薄膜22和第五导热薄膜23各一层；高导热薄膜为三层，即第二导热薄膜31、第四导热薄膜32和第六导热薄膜33各一层。当然，在其他实施例中，低导热薄膜和高导热薄膜也可以为三层以上，但其中一个
温度传感器需设置在最外层的高导热薄膜上，另一个温度传感器设置在除最外层高导热薄膜的任意高导热薄膜上。
39.本发明还提供一种传感器组件，如图4所示，传感器组件包括柔性衬底200以及多个如上所述的传感器100，多个传感器100之间相互间隔并设于柔性衬底200的表面。例如，当第一导热薄膜21、第三导热薄膜22和第五导热薄膜23采用pet(塑料，polyethylene terephthalate)材料或陶瓷等硬质材料制成时，单个传感器100无法实现柔性变形，但因其面积较小，采用多个传感器100集成到柔性衬底200上时，整个传感器组件仍具备一定的柔性。此时，可以将多个传感器100的多个加热薄膜10连在一起，做成一个面积更大的加热薄膜10。
40.本发明还提供一种对流换热系数测试方法，用于如上所述的传感器100，该测试方法包括：
41.如图5所示，步骤s1：控制加热薄膜10以第一温度tn进行加热，具体地，向加热薄膜10施加一定的电流，由于加热薄膜10存在一定电阻，加热薄膜10会产生热量，然后通过第五导热薄膜23和第六导热薄膜33使加热薄膜10产生的热量更加均匀，并传递至第一导热薄膜21、第二导热薄膜31、第三导热薄膜22以及第四导热薄膜32；
42.步骤s2：通过第一温度传感器41和第二温度传感器42分别测量第二导热薄膜31和第四导热薄膜32的温度，此时，第二导热薄膜31和第四导热薄膜32的温度分别为t
c1
和t1；
43.步骤s3：控制加热薄膜10以第二温度tm进行加热，优选地，第一温度tn与第二温度tm的差值小于30℃，若两次温差相差较大，传感器100测试并计算得到的tcc(界面热导)值与真实值会出现较大差异，测试结果误差大；
44.步骤s4：通过第一温度传感器41和第二温度传感器42分别测量第二导热薄膜31和第四导热薄膜32的温度，此时，第二导热薄膜31和第四导热薄膜32的温度分别为t
c2
和t2；
45.步骤s5：通过第一温度传感器41和第二温度传感器42两次测得的温度计算出对流换热系数和界面热导。其中，传感器100与外部处理电路400电性连接(图1)，即加热薄膜10、第一温度传感器41和第二温度传感器42均与处理电路400电性连接，从而控制加热薄膜10加热的功率以及处理第一温度传感器41和第二温度传感器42检测的温度信号。
46.其中，具体计算过程如下：
47.通过能量守恒方程可得：
[0048][0049]
t为第四导热薄膜32的温度)，q1流入热流密度，q2流出热流密度，a表示面积，ta为环境温度，ρ、v、c
p
分别为密度、体积、常压热容，σ和ε分别为斯特藩-玻尔兹曼常数和发射率。
[0050]
而而
[0051]
其中，tc为第二导热薄膜31的温度，将加热薄膜10、第五导热薄膜23、第六导热薄膜33、第一导热薄膜21以及第二导热薄膜31看作一个整体)，rc和ra分别为等效传导热阻(加
热面至测温面，即加热薄膜10、第五导热薄膜23、第六导热薄膜33、第一导热薄膜21和第二导热薄膜31的等效传导热阻)和对流换热热阻。
[0052]
叠层结构的面积是一样的，仅厚度有所差异，所以将q1和q2带入
⑴
式，热传导控制方程
⑴
可以简化成如下形式：
[0053][0054]
其中，h为第四导热薄膜32的厚度。
[0055]
如果rc已知，则通过测试稳态条件下加热面及外表面温度可实现对流换热系数测试；
[0056]
有
[0057]
但通常情况下rc未知，当rc和ra是常值时，可使用两次非等温加热的方式及求解方程组实现rc和ra同时测量，假定每层薄膜满足等温假设，方程(5)可简化为如下形式：
[0058][0059]
在稳态条件下，通过加热薄膜10输入不同加热功率，获得不同的加热温度(即第一温度传感器41两次检测的温度)，分别记为t
c1
和t
c2
，对应的最外层薄膜的温度(即第二温度传感器42两次检测的温度)分别为t1和t2，通过方程(6)可获得如下方程组：
[0060][0061][0062]
求解(7)和(8)方程组，可同时获得rc和ra值，如下所示：
[0063][0064][0065]
其中，chtc为对流换热系数，tcc为界面热导(等效热导)。而环境温度(ta)不会随着加热薄膜10加热功率的改变而改变，只需通过外部温度检测即可，而σ和ε为已知数，从而计算出chtc和tcc。
[0066]
进一步地，还包括自检步骤：将界面热导与标定界面热导进行比对，以对传感器100的测试结果进行自验证。因为选用材料的性能、厚度、尺寸一定，因此标定的界面热导(tcc)一定，通过多次标定可以获得确定的tcc值，包括计算标定及恒定对流换热系数下数值标定。因此通过对流换热系数和界面热导的同步测试，测试的界面热导与标定的界面热导进行对比验证，实现了传感器100的自验证功能。若测试的界面热导与标定的界面热导相
差较大，则测试对流换热系数的误差较大，若测试的界面热导与标定的界面热导相等或相差较小，则测试对流换热系数的误差较小，较为准确。
[0067]
当然，如果采用传感器组件，柔性传感器组件可测试空间上各点对流换热系数值，通过插值方式可以获得曲面上的对流换热系数场信息。
[0068]
本发明的传感器100采用加热薄膜10与高导热薄膜、低导热薄膜(隔热薄膜)交替堆叠的多层结构形式，加热薄膜10可实现不同电功率下的加热，多层结构的高导热薄膜和低导热薄膜可将由加热薄膜10的非均匀温度场转换为堆叠多层结构的外层均匀温度场，计算表明第二导热薄膜31的温度可达到理想均匀状态。同时，在第二导热薄膜31和第四导热薄膜32嵌入薄膜热电偶传感器(温度传感器)，可实现加热过程中薄层的温度实时在线测量。使用传热学计算理论及不同电加热功率下的多层结构最外两层高导热薄层的温度值，可实现表面对流换热系数及等效热导的同步测试，通过事前界面热导标定及测试过程中测试得到的界面热导进行对比验证，实现了传感器测试结果的自验证，从而验证测试数据的可靠性。
[0069]
在本文中，所涉及的上、下、左、右、前、后等方位词是以附图中的结构位于图中的位置以及结构相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。还应当理解，本文中使用的术语“第一”和“第二”等，仅用于名称上的区分，并不用于限制数量和顺序。
[0070]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰，为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。