一种高温环境下的非接触式电阻抗测温装置及其加工方法

本发明涉及温度检测领域，具体涉及一种高温环境下的非接触式电阻抗测温装置及其加工方法。

背景技术：

涡轮叶片是航空发动机动力输出的核心部件，对其温度场的精准、可靠、持续在线监测，是保障发动机安全、高效、长寿命工作的关键。现代航空发动机朝向大推力、高推重比、高热效率发展，导致涡轮燃气温度持续攀升，叶片工作环境极端恶劣。在高温、高压、高转速的复杂环境中，常规传感器的敏感材料极易发生相变与氧化，无法实现极端温度响应的精准监测，也无法长时间稳定运行。因此，研究新型高温检测技术与器件结构，实现敏感材料在高温恶劣环境中灵敏、稳定工作，是涡轮叶片温度场精准、可靠、持续在线监测亟待解决的难题。

现有技术中适用于高温极端环境的温度检测手段主要为非接触检测方法，该方法不破坏叶片结构，对发动机性能、运行安全、燃气流场及叶片温度场的影响小，温度检测更加精准可靠。

常见的非接触温度场检测方法有辐射测温、示温漆等方式。辐射测温计在涡轮叶片所工作的高温复杂环境中，受到热辐射在叶片表面产生的折射、燃气吸收光谱、背景辐射的影响，测温精度低；示温漆测温精度低，且无法长期重复使用，因此无法实现对涡轮叶片温度的连续在线监测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高温环境下的非接触式电阻抗测温装置及其加工方法，该测温装置能用于测量超高温度下的涡轮叶片表面温度，测温精度高、持久性好，非接触式监测，对叶片及流场影响较小。

一种高温环境下的非接触式电阻抗测温装置，包括微流体线圈1，液态金属循环流道2、液体金属储存装置3、液态金属循环泵4、信号处理与传输装置5和石墨电极8，所述微流体线圈1设有若干个并组成线圈阵列，位于航空发动机内且不与涡轮叶片接触，微流体线圈1的两端与液态金属循环流道2连通；

所述液态金属循环流道2与液体金属储存装置3连通，且液态金属循环流道2上还设有液态金属循环泵4和一对石墨电极8，所述石墨电极8与信号处理与传输装置5连接；

所述微流体线圈1、液态金属循环流道2和液体金属储存装置3中充满液态金属镓。

优选的，所述液态金属循环流道2包括液态金属流入通道和液态金属流出通道，液态金属流入通道和液态金属流出通道分别与微流体线圈1的入口和出口连接连接，所述石墨电极8的正负极分别安装在液态金属流入通道和液态金属流出通道上，且石墨电极8设置为一段管道，成为液态金属流入通道和液态金属流出通道的一部分。

优选的，所述液体金属储存装置3外侧设置有冷却散热装置7。

优选的，所述液体金属储存装置3中设有储存腔室一31和储存腔室二32，所述储存腔室一31和储存腔室二32分别设有液位检测传感器一33和液位检测传感器二34，所述液态金属循环泵4包括分别设置在液态金属流入通道和液态金属流出通道上的蠕动泵一41和蠕动泵二42。

优选的，所述液体金属储存装置3还能够与液态金属循环泵4融合构成双向注射泵9，所述双向注射泵9为圆柱形金属罐，其中设有注射腔室一91和注射腔室二92，二者通过活塞93隔开，所述活塞93受步进电机驱动并滑动连接在金属罐内，所述注射腔室一91和注射腔室二92中都设有限位开关94，所述限位开关94能够控制步进电机的转向。

优选的，所述信号处理与传输装置5还连接有显示终端6。

优选的，微流体线圈的加工制作方法，包括如下步骤，

步骤一、使用微纳3d打印技术，制造螺旋形聚合物微流道作为微铸造模具；

步骤二、将液态金属镓注入螺旋形聚合物微流道中，再将该螺旋形聚合物微流道器件放置于280k的油浴中，促使液态金属镓凝固；

步骤三、将步骤二中的器件整体置于温度280k的有机溶剂中，溶解螺旋形聚合物微流道，并提取固态镓线圈；

步骤四、将固态镓线圈置于模具中，使用液态陶瓷封装镓线圈；置于温度290k的真空环境中排除液态陶瓷中气泡；

步骤五、得到微流体管路，使用液态镓填充该微管路，获取微流体线圈。

优选的，液态金属镓还能够采用其他低熔点、稳定性好的液态金属代替。

优选的，所述步骤一中，制成的螺旋形聚合物微流道的等效直径≤40μm。

本发明的优点在于：

1、采用电涡流检测电阻抗检测涡轮叶片金属表层缺陷和表层温度，不需要接触涡轮叶片，利用涡轮叶片的金属材料的电导率对温度敏感，采用电涡流传感器通过检测线圈与涡轮叶片间互感，可以检测叶片表层的电导率，进而检测叶片表层温度；与辐射测温相比，电涡流测温法受燃气流动、器件表面结焦等周围环境因素影响小，检测精度高；

2、采用液态金属替代常规固态金属线圈，外侧微管路的主体由高温陶瓷加工而成，以解决高温极端环境中常规敏感材料组织相变、再结晶等造成的温度检测误差大、精度低、漂移等问题；

3.采用液态金属微循环，实现高温条件下敏感材料的代谢与自修复，可解决高温极限环境中敏感材料氧化、性能退化、生存时间短等问题；

4电阻抗器件结构简单，不需要复杂的光学器件，便于集成及微型化；本发明通过形成液态金属微流体阵列，实现对涡轮叶片表层温度场的非接触检测，精度高、对叶片及流场的干扰小。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明装置中微流体线圈的结构示意图；

图3为本发明装置中双向注射泵的结构示意图；

图4为本发明装置中液体金属储存装置和液态金属循环泵的结构示意图；

其中，1、微流体线圈，2、液态金属循环流道，3、液体金属储存装置，31、储存腔室一，32、储存腔室二，33、液位检测传感器一，34、液位检测传感器二，4、液态金属循环泵，41、蠕动泵一，42、蠕动泵二，5、信号处理与传输装置，6、显示终端，7、冷却散热装置，8、石墨电极，9、双向注射泵，91、注射腔室一，92、注射腔室二，93、活塞，94、限位开关。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图4所示，一种高温环境下的非接触式电阻抗测温装置，包括微流体线圈1，液态金属循环流道2、液体金属储存装置3、液态金属循环泵4、信号处理与传输装置5和石墨电极8，所述微流体线圈1设有若干个并组成线圈阵列，位于航空发动机内且不与涡轮叶片接触，微流体线圈1的两端与液态金属循环流道2连通；

所述液态金属循环流道2与液体金属储存装置3连通，且液态金属循环流道2上还设有液态金属循环泵4和一对石墨电极8，所述石墨电极8与信号处理与传输装置5连接；

所述微流体线圈1、液态金属循环流道2和液体金属储存装置3中充满液态金属镓。

所述液态金属循环流道2包括液态金属流入通道和液态金属流出通道，液态金属流入通道和液态金属流出通道分别与微流体线圈1的入口和出口连接连接，所述石墨电极8的正负极分别安装在液态金属流入通道和液态金属流出通道上，且石墨电极8设置为一段管道，成为液态金属流入通道和液态金属流出通道的一部分。

所述液体金属储存装置3外侧设置有冷却散热装置7。

所述液体金属储存装置3中设有储存腔室一31和储存腔室二32，所述储存腔室一31和储存腔室二32分别设有液位检测传感器一33和液位检测传感器二34，所述液态金属循环泵4包括分别设置在液态金属流入通道和液态金属流出通道上的蠕动泵一41和蠕动泵二42。

所述液体金属储存装置3还能够与液态金属循环泵4融合构成双向注射泵9，所述双向注射泵9为圆柱形金属罐，其中设有注射腔室一91和注射腔室二92，二者通过活塞93隔开，所述活塞93受步进电机驱动并滑动连接在金属罐内，所述注射腔室一91和注射腔室二92中都设有限位开关94，所述限位开关94能够控制步进电机的转向。

所述信号处理与传输装置5还连接有显示终端6。

微流体线圈的加工制作方法，包括如下步骤，

步骤一、使用微纳3d打印技术，制造螺旋形聚合物微流道作为微铸造模具；

步骤二、将液态金属镓注入螺旋形聚合物微流道中，再将该螺旋形聚合物微流道器件放置于280k的油浴中，促使液态金属镓凝固；

步骤三、将步骤二中的器件整体置于温度280k的有机溶剂中，溶解螺旋形聚合物微流道，并提取固态镓线圈；

步骤四、将固态镓线圈置于模具中，使用液态陶瓷封装镓线圈；置于温度290k的真空环境中排除液态陶瓷中气泡；

步骤五、得到微流体管路，使用液态镓填充该微管路，获取微流体线圈。

液态金属镓还能够采用其他低熔点、稳定性好的液态金属代替。

所述步骤一中，制成的螺旋形聚合物微流道的等效直径≤40μm。

具体实施方式及原理：

实施例一，将液体金属储存装置3与液态金属循环泵4融合构成双向注射泵9，双向注射泵9内设有两个腔室91、92，两腔室之间用一个活塞93间隔。注射腔室一91与液态金属流入通道相连通，注射腔室二92与液态金属流出通道相连通，注射腔室一91和注射腔室二92中均设置有限位开关94，双向注射泵外部设有冷却散热装置7，活塞93受步进电机驱动，在泵体空间内做直线往复运动；

在工作过程中，注射腔室一91内的较低温度的液态金属在泵的驱动下，沿液态金属流入通道2流入微流体线圈1中，从微流体线圈1流出的高温液态金属沿液态金属流出通道，流回双向注射泵9的注射腔室二92，并在此与冷却散热装置进行热量交换，在此过程中，由于注射腔室一91内液体逐渐减少，注射腔室二92内液体增加，活塞93位置不断向注射腔室一91方向移动，注射腔室一91体积减小，注射腔室二92体积增大，当注射腔室一91内液体体积达到最低阈值时，活塞93触及注射腔室一91内的限位开关94，步进电机反向驱动活塞93，活塞93向第二腔室方向移动，因此液态金属循环通道和微流体线圈中的液体反向流动，直至活塞93触及注射腔室二92内的限位开关94，即注射腔室二92内的液体体积达到最低阈值时，一个循环结束，流体流向恢复为正向，继续重复上一循环过程。

实施例二，也可将液态金属储存装置3和液态金属循环泵4分开设置，液体金属储存装置3中设置两个相互分隔开的腔室31、32，两个腔室分别与液态金属流入通道、液态金属流出通道相连通。液态金属循环泵4可选为蠕动泵一41加蠕动泵二42形式，蠕动泵一41和蠕动泵二42分别设置在液态金属流入通道、液态金属流出通道上；

储存腔室一31和储存腔室二32中分别设有液位检测传感器一33和液位检测传感器二34。液位检测传感器和蠕动泵均与控制器进行电信号连接。在工作过程中，储存腔室一3131内的较低温度的液态金属在蠕动泵41的驱动下，沿液态金属流入通道流入微流体线圈1中，从微流体线圈1流出的高温液态金属沿液态金属流出通道，流回储存腔室二32，并在此与冷却散热装置7进行热量交换；

在此过程中，由于储存腔室一31内液体逐渐减少，储存腔室二32内液体增加，当储存腔室一31内液体体积达到最低阈值时，控制器接收到液位检测传感器一33的液位信号，发出指令，使液态金属流入通道上的蠕动泵一41停止运行，液态金属流出通道上的蠕动泵二42开始运行，因此液态金属循环通道和微流体线圈中的液体反向流动，从储存腔室二32中流出，返回储存腔室一31，直至储存腔室二32内的液体体积达到最低阈值时，一个循环结束，流体流向恢复为正向，继续重复上一循环过程。

基于上述，本发明测温装置能用于测量超高温度下的涡轮叶片表面温度，测温精度高、持久性好，非接触式监测，对叶片及流场影响较小。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。