一种多方向一体化热流传感器的制作方法

本发明涉及一种多方向一体化热流传感器，属于航天测量领域。

背景技术：

运载火箭的热环境非常复杂，通常有严酷的底部尾焰加热、复杂的激波干扰热加热、喷流和来流干扰问题，热环境又随着飞行过程大气压力的逐步降低而发生变化。在国内运载火箭设计的工程实践上，经常采取保守设计回避了这一问题的复杂性，热防护措施简单化、保留余量偏大，以牺牲入轨质量的代价增加防热层厚度，不可避免地造成运载能力损失。新一代航天任务的多样化和复杂化对有效载荷质量要求越来越高，迫切需要提升运载火箭设计的精细化程度，提升运载能力。

热流传感器用于测量航天运载器空间热流参数，是目前航天领域使用最广泛、用量最大的传感器之一。面对精细化测量、场式测量等新型需求，现有的热流传感器存在固有局限无法满足测量要求，主要体现在：一方面，现有热流传感器一般采用圆箔式测量原理，响应时间长，测量精度不够高，而且传感器质量和体积较大，对安装、维护等环节要求高；另一方面，现有的热流传感器采用单一敏感方向设计，只能测量沿敏感面法线方向来流,在需要测量某位置处多方向来流的情况下，需要相应地在每个测量方向上布设热流传感器，这就从系统设计、产品成本、安装维护等多方面增加了资源投入，效费比低。面对新一代航天任务提出的对运载火箭复杂热环境进行多方向、场式、高精度、快响应测量的需求，迫切需要研制新型热流传感器以实现精细化、高效费比的测量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，现有的圆箔式热流传感器采用单一敏感方向设计导致的只能测量沿敏感面法线方向来流、产品效费比低的问题，提出了一种多方向一体化热流传感器。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种多方向一体化热流传感器，包括热流敏感元件、热流感应壳体、传感器基座、线缆保护结构、传输线缆、电连接器，所述热流感应壳体为矩形壳体，热流感应壳体外表面其中一面连接于用于固定热流感应壳体位置的传感器基座一侧的连接端面上，并通过传感器基座固定于外部热流测量支架上，用于感应对应方向外部热流并转化为电压信号的热流敏感元件分别设置于热流感应壳体剩余五个连接面上，并对五个方向外部热流进行转化，所述热流敏感元件将外部热流转变为电压信号并通过传输线缆将电压信号传输至电连接器进行输出，所述传输线缆通过连接于传感器基座另一侧的连接端面的线缆保护结构进行保护。

所述热流敏感元件包括元件基片、下层热电偶、热阻层、上层热电偶、保护涂层、内部引脚，所述元件基片安装于热流感应壳体外表面上，元件基片上铺设有下层热电偶，下层热电偶上表面铺设有热阻层，上层热电偶铺设于热阻层上，并于上层热电偶外表面涂覆保护涂层，所述内部引脚通过与上层热电偶、下层热电偶相连将电压信号导入传输线缆。

所述热流敏感元件的响应时间范围具体为：响应时间τ0.632＜300ms。

所述传输线缆长度范围为100mm～10000mm。

所述壳体的规格尺寸范围具体为：不大于50mm×50mm×50mm。

所述壳体材料不锈钢或铝合金。

所述元件基片背面中心设置有用于测量温度的温度传感器。

所述热阻层厚度范围为0.05mm～0.2mm，耐温范围为-60℃～1000℃。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种多方向一体化热流传感器，通过采用针对多个敏感方向设计的新型壳体以及厚膜敏感元件制备工艺，于除连接面外的其他面均设置敏感元件进行热流测量，保证了热流传感器的测量精度的同时，提高了响应时间，利用新型结构组成的敏感元件实现了热流与电压的稳定转换，能够应对多个方向的热流测量，减少了产品成本和安装维护投入，效费比高。

附图说明

图1为发明提供的热流敏感元件组成结构示意图；

图2为发明提供的热流传感器整体三维示意图；

图3为发明提供的热流传感器侧视图；

具体实施方式

一种多方向一体化热流传感器，针对现有的圆箔式热流传感器测量仅能针对单向单面方向热流进行测量的问题，提出了包括热流敏感元件、热流感应壳体、传感器基座、线缆保护结构、传输线缆、电连接器的热流传感器，其中：

热流感应壳体为立方体壳体，六个连接面中其中一面连接于传感器基座一侧的连接端面上，通过传感器基座固定热流感应壳体位置，具体固定位置为外部热流测量支架上，该位置应满足本次测量所需热流测量方向的需求：热流感应壳体剩余五个连接面上分别设置有用于感应对应方向外部热流并转化为电压信号的热流敏感元件，同时接收五个连接面方向的热流并进行转化，传感器基座另一侧的连接端面连接线缆保护结构，防止传输线缆弯折等外部因素造成的问题，热流敏感元件输出的电压信号则通过传输线缆传输至电连接器进行输出。

热流敏感元件为多层热电偶结构元件，主要包括元件基片、下层热电偶、热阻层、上层热电偶、保护涂层、内部引脚，元件基片安装于热流感应壳体外表面上，元件基片上铺设有下层热电偶，下层热电偶上表面铺设有热阻层，上层热电偶铺设于热阻层上，并于上层热电偶外表面涂覆保护涂层，内部引脚则通过与上层热电偶、下层热电偶相连将电压信号导入传输线缆。

其中，元件基片背面中心设置有用于测量温度的温度传感器，热阻层厚度范围为0.05mm～0.2mm，耐温范围为-60℃～1000℃。，下层热电偶、上层热电偶材料包括但不限于常用热电偶材料如铂/铂铑、金/镍等，热阻层材料包括但不限于常用热阻层材料如二氧化硅，热流敏感元件的响应时间范围具体为：τ0.632：＜300ms，保护涂层材料包括但不限于常用材料如二氧化硅。

而在热流传感器中，传输线缆长度范围为100mm～10000mm，壳体的规格尺寸范围具体为：不大于50mm×50mm×50mm，壳体材料为不锈钢或铝合金。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，厚膜热电堆式热流元件上、下层热电偶材料分别为铂、铂铑，热阻层材料为二氧化硅，保护涂层材料为二氧化硅，敏感元件背面中心设置的温度传感器采用高灵敏度的e型热电偶。热阻层厚度约0.1mm，热电偶线条长约0.7mm、宽0.2mm、厚0.01mm，装置整体如图2、图3所示，包括热流敏感元件1、热流感应壳体2、传感器基座3、线缆保护结构4、传输线缆5、电连接器6；

热流敏感元件三维图如图1所示，包括11元件基片、12下层热电偶、13热阻层、14上层热电偶，15内部引脚，具体热流敏感元件属性指标如下：

元件耐温：1000℃；理论灵敏度：0.1mv/(kw/m^2)；最佳热流测量区间：1kw/m^2～200kw/m^2；理论响应时间：10ms。

壳体采用不锈钢材料，整机耐温达500℃，壳体的规格尺寸具体为：20mm×20mm×20mm，传输线缆长度为500mm，安装基座外表面设置有安装螺纹，可与外部热流测量支架相连接。，

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：

1.一种多方向一体化热流传感器，其特征在于：包括热流敏感元件、热流感应壳体、传感器基座、线缆保护结构、传输线缆、电连接器，所述热流感应壳体为矩形壳体，热流感应壳体外表面其中一面连接于用于固定热流感应壳体位置的传感器基座一侧的连接端面上，并通过传感器基座固定于外部热流测量支架上，用于感应对应方向外部热流并转化为电压信号的热流敏感元件分别设置于热流感应壳体剩余五个连接面上，并对五个方向外部热流进行转化，所述热流敏感元件将外部热流转变为电压信号并通过传输线缆将电压信号传输至电连接器进行输出，所述传输线缆通过连接于传感器基座另一侧的连接端面的线缆保护结构进行保护。

2.根据权利要求1所述的一种多方向一体化热流传感器，其特征在于：所述热流敏感元件包括元件基片、下层热电偶、热阻层、上层热电偶、保护涂层、内部引脚，所述元件基片安装于热流感应壳体外表面上，元件基片上铺设有下层热电偶，下层热电偶上表面铺设有热阻层，上层热电偶铺设于热阻层上，并于上层热电偶外表面涂覆保护涂层，所述内部引脚通过与上层热电偶、下层热电偶相连将电压信号导入传输线缆。

3.根据权利要求2所述的一种多方向一体化热流传感器，其特征在于：所述热流敏感元件的响应时间范围具体为：响应时间τ0.632＜300ms。

4.根据权利要求1所述的一种多方向一体化热流传感器，其特征在于：所述传输线缆长度范围为100mm～10000mm。

5.根据权利要求1所述的一种多方向一体化热流传感器，其特征在于：所述热流感应壳体的规格尺寸范围具体为：不大于50mm×50mm×50mm。

6.根据权利要求1所述的一种多方向一体化热流传感器，其特征在于：所述热流感应壳体材料不锈钢或铝合金。

7.根据权利要求2所述的一种多方向一体化热流传感器，其特征在于：所述元件基片背面中心设置有用于测量温度的温度传感器。

8.根据权利要求2所述的一种多方向一体化热流传感器，其特征在于：所述热阻层厚度范围为0.05mm～0.2mm，耐温范围为-60℃～1000℃。

技术总结
一种多方向一体化热流传感器，包括热流敏感元件、热流感应壳体、传感器基座、线缆保护结构、传输线缆、电连接器，通过采用针对多个敏感方向设计的新型热流感应壳体以及厚膜敏感元件制备工艺，解决了现有技术中圆箔式热流传感器采用单一敏感方向设计导致的只能测量沿敏感面法线方向来流、响应时间长、产品效费比低的问题，结构稳定，产品成本低，测量精度高、响应时间短。

技术研发人员：王国辉;周广铭;夏国江;耿胜男;蓝鲲;张金刚;路娟;张大铭;李亚群;俞达
受保护的技术使用者：北京宇航系统工程研究所;中国运载火箭技术研究院
技术研发日：2019.10.31
技术公布日：2020.04.17