一种集成式同轴热电偶的制作方法与流程

本发明涉及同轴热电偶技术领域，尤其涉及一种集成式同轴热电偶的制作方法。

背景技术：

高超声速飞行器在大气中飞行，特别是再入时，由于激波压缩和粘性摩擦产生大量热能，会导致飞行器表面温度激增。飞行器再入导致的高温问题一般都会伴随着复杂的高温物理现象，现有经验和理论难以直接预测飞行器热环境，所以通常要依靠地面风洞试验对飞行器的热环境进行研究。而在高超声速飞行器的防热设计中，主要依赖风洞热流的测量值保障飞行器和飞行员的安全。

随着推进一体化高超声速飞行器的发展，为了满足减小阻力、保证进气道性能等方面的要求，机身前缘、进气道唇口、隔板和控制舵等部件一般都采用曲率半径较小的尖翼前缘。根据气动加热的一般规律，对于高超声速飞行器热环境，部件迎风前缘曲率半径较小则对应越高的气动加热量。超燃发动机技术的研究，以及发动机和飞行器的一体化技术，导致飞行器燃烧室内气流静温可达1800℃以上，而模型表面和燃烧室内的热流可能高达5mw/m²以上，在如此高温的流场中，热传导和热辐射等作用会使得飞行器表面和内部的温度骤然升高，甚至可能会对飞行器产生致命的损坏。因此，在高超声速飞行器模型的地面模拟实验中，其表面瞬态热流率测量是一项重要的工作，对于飞行器的优化设计有着至关重要的作用，对于发动机的冷却及燃烧效率的影响也非常大。减少飞行器的表面和燃烧室内部热流，可以降低其防热设计的难度。

综上所述可知，飞行器模型表面热流测量是空气动力学试验研究的重要项目之一，在对飞行器布局研究、结构及部件优化、流动控制、cfd(计算流体动力学)验证确认等方面都具有较高的应用价值。

对飞行器表面热流的测量分为非接触测量和接触测量：采用红外和磷光热图等方法测量属于非接触测量。红外和磷光热图测量热流可以直接得到整个飞行器模型表面的热流变化规律，但由于以激波风洞为代表的脉冲风洞试验时间为毫秒级，较短的试验时间对测量方法要求极高。其中红外测热受难以购买到分辨率和采样频率均符合要求的频率高的红外热像仪的限制，在激波风洞中还未发展起来。磷光热图虽已实现对热流的定性测量，但限于技术发展，还不能实现定量的测量，因此，目前对飞行器表面热流的测量主要还依靠接触测量。接触测量一般基于薄膜热流传感器和同轴热电偶进行。

如飞行器模型表面热流值高，而薄膜热流传感器不耐冲刷，因此采用同轴热电偶测量热流更可靠。但是飞行器模型表面形状多样，安装柱状同轴热电偶会破坏飞行器的外形，影响局部流场，增大测量误差。并且对于某些飞行器模型的局部复杂曲面，由于尺寸小或者曲率变化大的特点更难于实现同轴热电偶的安装；而热流测量需要密集和精细化，因此需要发展集成式同轴热电偶，以实现飞行器模型表面任意区域的热流测量。

现有集成式同轴热电偶，一般是采用一种热电偶材料加工成模型，然后在模型测点位置打孔，孔内安装相配对的热电偶丝，最后再打磨或镀膜形成热电偶结点。这种集成式同轴热电偶，由于模型直接采用一种热电偶材料制成，其传热性一致；但是同时存在以下缺点：一是安装孔尺寸存在偏差导致一致性差，热电偶丝的尺寸也存在偏差，导致安装难度大，如果热电偶丝安装失败或安装一致性差，就造成整个传感器安装失败，成为废品。为避免这种情况，只能增加模型上孔的加工数量和备件数量，因此制作成本高；二是常用的标准热电偶材料如镍铬-镍硅、镍铬-铜镍、铜-铜镍等较软，可能不满足模型设计要求。若采用较硬的热电偶材料如钨铼、铱铑等加工模型，又存在材料价格高及加工难度大的问题；三是热电偶灵敏度低，当在高冲刷流场下测量低热流时，信噪比低，测量误差大。

因此，针对以上不足，需要提供一种新的集成式同轴热电偶制作方法，来简化其集成化的成型过程，并且具有通用性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有集成式同轴热电偶制作方法存在加工困难、造价高，并且制备过程不具备通用性的缺陷，提供一种集成式同轴热电偶的制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种集成式同轴热电偶的制作方法，包括以下步骤：

a、制作传感器基底，并在预设计的测点处设置安装孔；

b、制作多个同轴热电偶单元，同轴热电偶单元的个数与所述安装孔相同，并且外形轮廓与安装孔相匹配；

c、将所述同轴热电偶单元对应装配到所述安装孔中，并形成一体化模型；

d、制作所有同轴热电偶单元的热电偶结点；

e、基于所述热电偶结点焊接引线。

在根据本发明所述的集成式同轴热电偶的制作方法中，还包括以下步骤：

f、对完成引线焊接的一体化模型进行机械加工或光学加工，形成集成式同轴热电偶。

在根据本发明所述的集成式同轴热电偶的制作方法中，所述基底的材质包括以下至少一种：金属、陶瓷或环氧树脂。

在根据本发明所述的集成式同轴热电偶的制作方法中，所述同轴热电偶单元与安装孔过盈配合形成一体化模型。或者

所述同轴热电偶单元与安装孔之间通过粘接剂固定，形成一体化模型。

在根据本发明所述的集成式同轴热电偶的制作方法中，步骤d中对同轴热电偶单元的热电偶采用机械加工的方式形成热电偶结点。或者

步骤d中对同轴热电偶单元的热电偶采用镀膜的方式形成热电偶结点。

在根据本发明所述的集成式同轴热电偶的制作方法中，所述镀膜的方式具体为：

首先安装镀膜的靶，并选择靶材；

然后加工安装座，将所述一体化模型固定在安装座内，再将安装座摆放在直流磁控镀膜机真空室内的样品台上；

启动真空泵，将所述真空室内以10-9000升/秒的初始抽速抽真空到1～5×10^-4pa；然后开启减压板，并降低抽速到初始抽速的50％～30％，持续充入氩气达到1～8×10^-1pa；

使样品台或靶以5～20圈/分钟的速度旋转；并使直流磁控镀膜机对一体化模型进行稳定溅射，镀膜形成热电偶结点；

然后关闭直流磁控镀膜机并停止充氩气，继续以初始抽速的50％～30％对真空室抽真空，持续10～60分钟；

取出一体化模型，加温烘烤持续预定时间段后，使其自然冷却，完成热电偶结点的制作；优选的，对于一体化模型为陶瓷衬底，镀膜为铂膜时，烘烤温度为600℃；

其中所述预定时间段根据传感器基底材料确定。

在根据本发明所述的集成式同轴热电偶的制作方法中，所述步骤e中焊接引线的具体方法为：

若测点热流值大于或等于10w/cm²，则在每个同轴热电偶单元自由端的正极和负极分别焊接引线。

在根据本发明所述的集成式同轴热电偶的制作方法中，所述步骤e中焊接引线的具体方法为：

若测点热流值小于10w/cm²，则在第一个同轴热电偶单元正极焊接一根引线，负极与第二个同轴热电偶单元的正极连接，第二个同轴热电偶单元的负极再与第三个同轴热电偶单元的正极相连，……，直到相邻前一个同轴热电偶单元的负极与最后一个同轴热电偶单元的正极连接，最后一个同轴热电偶单元的负极焊接一根引线，使所有同轴热电偶单元形成一个串联热电偶。

实施本发明的集成式同轴热电偶的制作方法，具有以下有益效果：现有技术中以一种热电偶材料先加工成模型，然后在模型中安装另一种配对的热电偶丝，形成热电偶，但配对的热电偶丝不易安装。而本发明方法中可以预先设计获得同轴热电偶单元，然后整体安装在传感器基底上，这与单独后续安装小尺寸的热电偶丝相比，更容易实现操作，能满足装配的一致性，并且每个同轴热电偶单元的性能不会受到影响。

本发明相比于传统的集成式同轴热电偶的制作工艺，制作方法更具有通用性，它以传感器基底作为所有同轴热电偶单元的安装基础，简化了安装过程；同时由于不必因为安装问题而考虑热电极材料的软硬度，可降低制作成本。

附图说明

图1是本发明具体实施方式所述一种集成式同轴热电偶的制作方法的示例性流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本发明提供了一种集成式同轴热电偶的制作方法，包括以下步骤：

所述制作方法开始于步骤100；

在步骤110中制作传感器基底，并在预设计的测点处设置安装孔；

在步骤120中制作多个同轴热电偶单元，同轴热电偶单元的个数与所述安装孔相同，并且外形轮廓与安装孔相匹配；其中步骤110和步骤120没有严格的时间顺序，多个同轴热电偶单元可以是预加工完成后可直接使用的；

在步骤130中将所述同轴热电偶单元对应装配到所述安装孔中，并形成一体化模型；

在步骤140中制作所有同轴热电偶单元的热电偶结点；

在步骤150中基于所述热电偶结点焊接引线；

集成式同轴热电偶的制作结束于步骤160。

本发明避免了现有集成式同轴热电偶制作中集中统一安装热电极丝的步骤，它以提供传感器基底的方式，为每个独立的同轴热电偶提供了安装区域。其传感器基底的形状可以根据在飞行器表面安装位置的特点确定，解决了直接采用多个独立的同轴热电偶进行热流测量存在的安装困难，又提供了一种通用的集成式同轴热电偶的制作方法。

所述集成式同轴热电偶通过以上步骤设计完成后，可以进一步加工，以满足表面光洁度的使用要求及形状误差要求。

作为示例，所述制作方法还包括以下步骤：

f、对完成引线焊接的一体化模型进行机械加工或光学加工，形成集成式同轴热电偶。所述机械加工可以是对其外表面，即传感器基底进行的车、铣、磨等加工工艺；所述光学加工可以是对其外表面进行的打磨或抛光工艺。经过步骤f对传感器基底处理后，可以将其整体作为一种传感器模型，或者也可以将传感器基底作为传感器模型的一部分，当其中某个同轴热电偶单元损坏后，可直接进行更换，以实现安全部分的重复使用。

作为示例，所述基底的材质包括以下至少一种：金属、陶瓷或环氧树脂。基底的材质根据试验要求选择，基底的形状根据飞行器测试点的形状及后续加工工艺决定。所述传感器基底的安装孔可以是在测点处进行钻孔形成。安装孔的大小由步骤b中制作的同轴热电偶单元的外形决定，同轴热电偶单元也可以是预先加工好的，拿来直接安装使用。

作为示例，所述同轴热电偶单元可以是直径为0.5mm～1mm的小型化柱状同轴热电偶。在步骤b中，可以先批量制作热电偶的热电极元件，然后选择其中尺寸公差一致性好的使用，从而实现同轴热电偶单元的一致性。

作为示例，所述同轴热电偶单元与安装孔过盈配合形成一体化模型。即以过盈配合的形式实现二者之间的固定。

作为示例，所述同轴热电偶单元与安装孔之间还可以通过粘接剂固定，形成一体化模型。例如，所述粘接剂可以为环氧树脂。

作为示例，步骤d中对同轴热电偶单元的热电偶采用机械加工的方式形成热电偶结点。所述机械加工的方式包括用车床和铣床加工、磨床打磨、钳工砂纸或锉打磨。

作为示例，步骤d中对同轴热电偶单元的热电偶可以采用镀膜的方式形成热电偶结点。所述热电偶结点可以通过在传感器基底表面或同轴热电偶单元表面镀导电性好的金属膜形成，例如可以是铂、银、铜等导电性好的材料，热电偶材料或传感器基底材料。如果待测试模型为金属，则基底材料可以与模型材料相同，因此基底材料可以作为镀膜材料；如果待测试模型和基底为非金属材料，例如陶瓷，则不可以作为镀膜材料，镀膜需要选用导电材料或热电偶材料。

下面以采用直流磁控镀膜机镀膜获得热电偶结点为例进行详细的说明，其它采用射频磁控镀膜机、离子镀膜机等真空镀膜机镀膜的方式根据机器自身的操作规程参照执行：

作为示例，所述镀膜的方式具体为：

首先安装镀膜的靶，并选择靶材；靶材根据测量需要选择，例如可以为铂、钯、金、镍、铜等金属或热电偶材料，也可以根据测试要求选择与传感器基底材料相同。

然后加工安装座，将所述一体化模型固定在安装座内，再将安装座摆放在直流磁控镀膜机真空室内的样品台上，然后关闭真空室；安装座加工完成后，可依次采用汽油和酒精清洗后，烘干再使用。

启动真空泵，将所述真空室内以10-9000升/秒的初始抽速抽真空到1～5×10^-4pa；然后开启减压板，并降低抽速到初始抽速的50％～30％，持续充入氩气达到1～8×10^-1pa；从理论上来说，真空室内的初始真空度越高越好，可以提高真空室内的洁净度，从而提高镀膜质量。但实际的预定真空度要根据镀膜机的性能确定。例如，在本发明中，制作热电偶结点，其作用主要是导热和导电，含有少许杂质对于热电偶的性能影响可以忽略不计；开启减压板后，降低抽速，是因为同时要充入镀膜气体氩气，由于要保持真空室内气体的压力平衡，减小抽真空的气流流速，可以降低氩气的使用量。持续充入氩气达到1～8×10^-1pa，是因为在这个范围内，容易实现氩气电离。氩气浓度越低，需要的镀膜电压越高。

使样品台或靶以5～20圈/分钟的速度旋转；然后开启直流电源，调压使直流磁控镀膜机对一体化模型进行稳定溅射，镀膜形成热电偶结点；一般情况下，需要对一体化模型的整个表面镀膜；对于由两个以上的热电偶串联起来形成的同轴热电偶单元，只需要保留热电偶结点处的薄膜，其镀膜制作方法包括两种：一是整个镀膜，然后去掉无用的部分；二是只局部对需要的位置镀膜。使样品台或靶旋转是为了实现对一体化模型表面均匀镀膜。转速的大小与镀膜时间有关，镀膜时间越短，需要设定的转速越高。

所述稳定溅射的镀膜时间可以根据需要的薄膜厚度与一体化模型和靶材的高度进行确定。在磁控溅射镀膜机镀膜时，溅射出来的粒子是按一定角度分布的。所述一体化模型与靶材的高度越高，溅射粒子的分布范围越大，因此同时间内沉积在一体化模型上的粒子越少；则相对比一体化模型与靶材的高度较低的情况，镀同样厚度的薄膜，需要的时间越多。一般镀膜时间可以选择1～5分钟。

然后关闭直流磁控镀膜机并停止充氩气，继续以初始抽速的50％～30％对真空室抽真空，持续10～60分钟，关闭真空阀门；对一体化模型镀膜时，要在样品台下加热，因此在镀膜结束后，一体化模型的温度较高，继续抽真空一定时间，有利于一体化模型降温，使镀的薄膜与基底更好的结合。同时，在镀膜结束后，真空室内还会存在薄膜粒子，继续抽真空可以降低其浓度，有利于在取出样品时，减少对操作人员的伤害。

打开真空室，取出一体化模型，采用烘箱加温烘烤持续预定时间段后，使其自然冷却，完成热电偶结点的制作。其中烘箱加温烘烤的温度根据传感器基底材料和粘接剂材料确定。优选的，对于一体化模型为陶瓷衬底，镀膜为铂膜时，烘烤温度为600℃；对于镀膜后的一体化模型表面的薄膜进行烘烤是为了减小薄膜内的热应力，提高薄膜内粒子的结合力及与衬底的粘接力。所述烘箱加温烘烤温度还需要根据镀膜材料和基底材料的耐温性能来确定，要求在烘烤温度内，镀膜材料不能挥发，基底材料不能软化。不同的基底材料需要选择不同的烘烤温度，因此烘烤时间也不同，到达设置的烘烤温度后，一般再恒温约10分钟，以使基底和薄膜的温度一样恒温。其中所述预定时间段可以为10～30分钟，优选为10分钟。预定时间段根据传感器基底材料的导热性能确定，一般10分钟内能实现恒温，从而使基底与薄膜的温度一致。如果一体化模型体积较大，可以适当的增加恒温时间。所述一体化模型在制作热电偶结点前，可以先进行清洗。例如采用纯水(或二次以上的蒸馏水)、酒精、超声波和等离子依次进行清洗；然后采用加热设备例如电吹风等烘干，置于干燥瓶或罐中保存以备使用。

作为示例，所述步骤e中焊接引线的具体方法为：

若测点热流值大于或等于10w/cm²，则在每个同轴热电偶单元自由端的正极和负极分别焊接引线。所述引线可以选择导电性好的铜线、热电偶补偿线或热电偶延长线。由于可在一个传感器基底上密集设置多个同轴热电偶单元，因此能够实现飞行器模型表面热流的密集测量。

作为示例，所述步骤e中焊接引线的具体方法还可以为：

若测点热流值小于10w/cm²，则在第一个同轴热电偶单元正极焊接一根引线，负极与第二个同轴热电偶单元的正极连接，第二个同轴热电偶单元的负极再与第三个同轴热电偶单元的正极相连，……，直到相邻前一个同轴热电偶单元的负极与最后一个同轴热电偶单元的正极连接，最后一个同轴热电偶单元的负极焊接一根引线，使所有同轴热电偶单元形成一个串联热电偶。

综上所述，本发明将多个同轴热电偶单元集成在传感器基底上，能够实现对飞行器模型表面热流的密集测量。尤其适用于高超声速地面模拟设备激波风洞飞行器模型表面的热流测量。克服了常规采用热电偶材料直接制作集成式同轴热电偶的成本高、一致性差的缺点，提高了集成式同轴热电偶的制作通用性。其传感器基底形状可以根据需要进行加工，因此有利于对测量部位的精准定位。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。