一种测量沿壁面热流的平面型热流传感器及其标定方法与流程

本发明属于薄膜热流传感器技术领域，涉及一种测量沿壁面热流的平面型热流传感器及其标定方法。

背景技术：

随着热测量、热管理的需求日益激增，在很多传热系统中，热量传递过程的监测变得愈发重要。薄膜技术的发展为微尺度传热测量提供了良好的工作条件，薄膜热流传感器也随之兴起。热电堆式热流传感器是目前最常见的一类薄膜热流传感器，它最早由热电堆缠绕在热阻层上构成，测量垂直通过热阻层的热通量。由于其具有响应快、尺寸小、精度高等优点，被广泛应用于航空航天、建筑节能、医疗、农业、燃料电池以及火灾实验等领域的热流测量。

目前大多数热流传感器都是测量垂直通过传感器表面的热流量，对于直接测量沿壁面传递热流的传感器研究较少。平面型热电堆式薄膜热流传感器是指热电堆冷热端位于同一平面上的传感器。为了尽可能缩小尺寸，其一般设计为圆形。近十年，nasa研发了用于发动机涡轮叶片表面热流测量的热电堆式平面热流传感器。同时，在热分析领域，平面型热流传感器也被应用于差示扫描量热仪中样品热流的测量。

虽然已经有一些平面型热流传感器的研制和应用，但是关于它的标定方法却研究较少，对于热电堆式热流传感器的精确校准一直是热工领域的难点之一。通常应用于航空航天领域的热电堆型热流传感器采用电弧灯或者黑体炉进行标定。这些方法装置复杂，成本高，且需要已知入射热流密度，不适合一般的现场或者在系统标定，而应用于差示扫描量热仪的平面型热流传感器，通常基于标准物质相变温度及相变焓进行校准，因标准物质种类有限，该标定方法无法实现连续标定。

针对热电堆式薄膜热流传感器标定困难的问题，本发明设计一种新型的平面型薄膜热流传感器，通过仿真分析传感器的热传导规律，结合激光加热和温度外推法实现传感器的静态特性标定。

技术实现要素：

本发明公开了一种可以实现沿壁面热流测量的平面型热流传感器，提出了一种通过金属探针固定小尺寸引脚并实现信号稳定输出的传感器连接结构，同时通过搭建传感器静态标定平台实现对传感器塞贝克系数的标定。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种冷热结点位于同一平面上的平面型热电堆式薄膜热流传感器，在绝缘基底上镀制3个薄膜铂电阻和一个由多组金铂热电偶串联成的热电堆。

所述薄膜传感器印刷在导热率为36w/m·k的氧化铝陶瓷基底上，基底为直径22mm，厚度0.36mm的圆形薄片。

所述薄膜热流传感器上的薄膜铂电阻呈圆弧状，分别排布在热电堆冷热端两侧，半径分别为1.55mm、2.55mm和7.05mm，每个铂电阻宽0.1mm，膜厚10μm。

所述热流传感器上的热电堆由44个金铂热电偶串联而成，呈圆弧状排布在基底表面。每个金铂热电偶极宽0.1mm，在电极两端重合区域分别构成热电堆冷端和热端。其中，热端所在圆弧半径为3.5mm，冷端所在的圆弧半径为6.5mm。

所述薄膜热流传感器的静态特性标定方法如下：

采用激光加热和温度外推的方法。为了模拟实际的传热情况，将激光加载在传感器中心作为热源，使热量沿传感器径向流动。主要标定步骤如下：首先，在传感器中心加载激光，当激光被传感器表面中心位置吸收后，热量沿传感器中心向边缘传递。待系统热平衡后，根据一定的温度分布规律，由薄膜铂电阻的温度推出热电堆冷热端温度，得到温度差。最后，建立温度差和热电堆输出的关系实现传感器的静态标定。

与上述方法对应的实验系统主要分为四个模块，分别为激光发生模块、传感器接收模块、环境温度测量控制模块以及数据采集模块。激光发生模块包括激光发生器、激光控制器和光学支架。该模块主要实现激光竖主要作用是固定激光器实现激光竖直出光，并且可以调节激光功率，可调范围为0～3000mw；传感器接收模块实现传感器信号引出，将传感器放在中心掏空的铜支架上，由于传感器引脚尺寸小，难以通过焊接的方式引出信号线，故使用较细的探针放置在引脚上并通过转接板固定。具体实现方法为：在连接板上传感器引脚对应的位置上打通孔，固定探针套，选购带线针套使信号经过引线输出，最后用螺钉固定转接板；炉体温控系统构成环境温度测量控制模块，它通过pid算法实现炉体内部温度控制并通过热电偶测量，为传感器标定提供40℃～100℃的恒定温度场；传感器输出信号经数据采集系统采集，并反馈到上位机显示。其中，热电堆热电势由fluke1586a测得，薄膜铂电阻阻值使用fluke1529用四线制测量原理得到。

本发明在传感器上，共集成了3个圆弧状的铂电阻和1个热电堆，其中两个铂电阻位于热电堆热结点的内侧，另外一个铂电阻位于热电堆冷结点的外侧，按照半径由大到小的顺序标记三个铂电阻为r1、r2和r3，r1和r2由于分别距离冷热端较近所以用来温度外推，得到冷热度结点温度。

本发明在标定过程中，通过炉体温控实现不同的环境温度变化，同时在传感器中心加载热流，在热流较小的情况下得到不同环境温度对应的塞贝克系数。

本发明为了解决薄膜热流传感器引脚尺寸小，间隔密，导致引线引出困难的问题，提出一种使用耐高温金属探针及对应的带线针套引出传感器信号，并通过转接板进行固定的解决方案。耐高温金属探针是一种内部带有弹簧的测试针，针头测量部位直径可达微米级别，往往用来精密测量。在搭建传感器连接装置时，首先，为了传热更快更均匀，选择导热系数为381w/m·k的纯铜作为支架支撑传感器，将中间挖出直径为21mm的孔，用于放置传感器；其次，选择一款耐高温的pcb，在pcb上根据传感器上引脚的对应位置结合引脚大小打相应的孔，使合适规格的探针通过并焊接固定pcb板和耐高温探针。由于传感器的引脚都集中在一侧，为了维持平衡，在pcb板引脚孔关于原点的对称位置打相同的孔并用相同的探针固定。pcb中心位置钻直径为5mm的孔以保证激光穿过；最后，转接板通过螺钉与铜支架固定并对传感器形成挤压作用力，保证传感器引脚接触良好。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明的平面型热流传感器由3个薄膜铂电阻和1个热电堆组成，根据热电堆冷热端温度差，实现沿传感器径向热流的测量。

2、本发明的提出了一种适用于小尺寸引脚的引线引出方法，实现测量信号稳定输出。

3、本发明在标定时，提出一种在小热流通过的条件下，通过改变环境温度实现温度下对应的传感器塞贝克系数的测量，从而实现传感器标定。

附图说明

图1为一种实现测量沿壁面传递热流的平面型薄膜热流传感器整体结构俯视图。

图2为平面型薄膜热流传感器标定实验平台结构示意图。

图3为平面型薄膜热流传感器信号引出装置示意图。

图4为不同环境温度下测得的塞贝克系数拟合图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

如图1所示，本发明中平面型热流传感器印刷在氧化铝陶瓷基底1-1上，由3个铂电阻以及1个热电堆构成。3个铂电阻1-2、1-3、1-4呈圆弧状，根据半径的不同排列在基底表面。热电堆1-5由44个热电偶串联而成，热电偶正极为金1-6，负极为铂1-7，金和铂的重合部分构成热电堆的冷端1-8和热端1-9。标定时，每个薄膜铂电阻通过四线制测量阻值，加上测量热电堆电势的两个引脚一共构成12个引脚1-10，每个引脚的面积为0.3mm×1mm。

如图2所示，所述平面型薄膜热流传感器的标定装置系统共分为四个模块，激光发生模块1、传感器接收模块2、环境温度测量与控制模块3以及数据采集模块4。传感器装置搭建时，首先用激光器支架2-3固定激光器2-1，保证其竖直出光，激光控制器2-2连接激光器用来控制激光的输出功率。在传感器接收模块，选择炉腔大小合适的炉子2-4，将传感器放在中间位置并通过探针连接使信号正常输出。环境温度测量与控制系统2-5通过pid算法实现炉体内部温度控制并通过热电偶测量，为传感器标定提供40℃～100℃的恒定温度场，控温精度为±0.2℃。传感器产生的数据，通过数据采集装置2-6实现采集并传送给上位机2-7进行数据处理和显示。

针对所述平面型薄膜热流传感器引脚多且尺寸小，测试引线难以引出的问题，提出测试信号由尺寸较小的耐高温探针引出的办法。如图3所示，传感器接收模块在装配时，除了炉体控制所需的环境温度外，在炉体里面，设置一套引出传感器信号线的装置。为了保证良好的传热性能，选择导热系数高的铜作为传感器支撑架3-1的材料，中心掏空，将传感器3-2放置到表面，位于炉腔的中心位置。选择耐高温pcb材料设计并制作合适大小的pcb转接板，在传感器引脚对应的位置和激光穿过位置打孔，用焊接的方式固定探针套3-4和转接板3-5，再将耐高温探针3-3安装到针套里面，实现传感器引脚和探针的一一对应。耐高温探针里面装有弹簧。转接板通过四颗螺钉3-6与铜支架固定，并实现对探针的挤压，保证探针与引脚之间的良好接触。

在薄膜热流传感器静态特性标定实验中，由于热电偶的热电势e与温度t具有如下关系：

e＝a0+a1t+a2t²+…+a9t⁹(1)

其中ai为拟合系数，i＝0,1...9。

当热电堆热端和冷端温度分别为t1和t2时，根据热电堆输出电势和温度的关系，得到：

vout＝n·[a1(t1-t2)+a2(t1²-t2²)+...+a9(t1⁹-t2⁹)](2)

其中，n为热电堆串联的热电偶数。假设t1＝δt+t2，δt→0，那么上式可以简化为：

vout≈n(a1+2a2t2+3a3t2²…9a9t2⁸)dt(3)

根据定义，上式中括号内的内容即为塞贝克系数。可以看出在温差δt较小时，塞贝克系数可以通过公式(3)实现测量。在小温差情况下，提供不同的环境温度，便可以得到在不同温度下对应的塞贝克系数。

热电堆冷热端温度根据温度外推法求得。温度外推法是当激光加载在传感器中心位置时，根据已知的两个薄膜铂电阻r1和r2处的温度结合圆筒壁温度外推模型，代入热电堆冷热端半径得到对应温度值。圆筒壁推算模型为：

t(r)＝c1lnr+c2(4)

根据标定结果显示在40℃-100℃范围内，在温差约为0.31℃时，随着环境温度升高，塞贝克系数增大，将每个环境温度下测得的塞贝克系数拟合，结果如图4所示。

本发明的平面型热流传感器优点包括：

(1)实现一种测量平面内热流传递的薄膜热流传感器。在结构上，用于测量温差的热电堆构成的冷热端印刷在同一平面，实现测量沿平面内的热流传递测量。

(2)针对小尺寸引脚接线困难的问题，提出一种使用探针引出测试信号线的方法，该方法可应用在精密测量领域，可以稳定的输出测试信号。

(3)在标定装置中，通过控制炉温达到实现测量不同温度下塞贝克系数的目的。

(4)提出一种在小热流通过的情况下准确测量塞贝克系数的方法。

本发明陈述了一种平面型薄膜热流传感器，用于测量沿壁面传递的热流量，通过丝网印刷技术制备在氧化铝陶瓷表面。传感器共由3个铂电阻和1个热电堆构成。铂电阻呈圆弧状按照半径从大到小排列，并分别表示为r1、r2和r3。在r1和r2之间分布一个热电堆，热电堆由44个金铂热电偶串联而成，热端和冷端相距3mm。薄膜热流传感器标定时，炉体提供40℃～100℃的恒定环境温度，激光加载不同的热流，通过不同环境温度、不同激光功率下传感器的输出，实现所述热流传感器的静态标定。