美国宇航局格伦研究中心

•R&T传感器和电子部门

•物理传感器仪器研究

•专长：薄膜高温传感器

简介：

3.

•热通量是许多参数之一，以及发动机设计师和流体动力学家感兴趣的压力、温度、流量等

•热通量的测量有助于直接确定热段叶片和叶片的冷却要求

•此外，如果已知表面和气体温度，则热流测量可提供对流传热系数值，该值可与CFD代码提供的值进行比较

热流传感器设计

•有各种热流传感器的设计，如Gardon仪表、塞规、薄膜热电偶阵列和薄膜惠斯通电桥设计

•与金属丝或金属箔传感器相比，使用薄膜传感器有几个优点：

–薄膜传感器不需要对安装在其上的部件进行特殊加工，并且厚度通常小于10微米，比电线或箔薄得多。

–因此，薄膜传感器对工作环境的干扰更小，对支撑结构的物理和热特性的影响最小。

•将描述两种薄膜设计

4.

热电堆薄膜热流传感器

•一般来说，热流传感器的操作取决于傅立叶热传导定律：

Q=-k（dT/dx）≈ -k（ΔT/Δx）

–测量已知导热系数k的材料厚度Δx上的温差ΔT，然后确定热通量Q

•在热电堆设计中，使用了两种不同厚度材料下的温差，如图1和图2所示：

5.

图1.薄膜热通量传感器工作原理。

图2薄膜热电堆热流传感器

热电堆薄膜热流传感器

•制造：

–如图所示，在基板上沉积薄膜热电堆

–如有必要，首先沉积电绝缘层

–在内部连接处沉积一层低导热材料，如氧化锆（如图2所示）

–低热导率层在内外连接处产生温差

•方法：

–温差（图1中的T1–T2）为：

ΔT=T1–T2=Q{（x2–x1）/k}

–通常，x2=5μm，x1=1μm，k=1.4 W/m/k（氧化锆）

–因此对于Q=1 W/cm2=104 W/m2→ ΔT≈ 29百万

6.

热电堆薄膜热流传感器

•对于高温操作，将制造R或S型热电偶（PtRh-Pt）的热电堆，其输出约为6μV/K

–对于40元件热电堆，信号为（6μV/K）×（29×10-3 K/W/cm2）×40≈ 7μV/W/cm2

•在用高温陶瓷代替贵金属热电偶方面做了一些工作（图3）

–更高的输出

–CrSi2-MoSi2的~100μV/K

对于ZnO-In2O3–~900μV/K

–在高温下稳定

–可能出现滞后

–仍处于试验阶段

7.

图3.氧化铝基硅化物热流传感器

惠斯通热通量传感器

•在电桥设计中，通过测量惠斯通电桥一个或多个臂的电阻变化来测量Δx上的温差

•在双面设计中，桥的两个臂位于基板顶部，另两个臂位于底部（图4和图5）

8.

图4：双面薄膜惠斯通电桥热通量传感器概念图

图5:CEV TPS的双面Pt-on氧化铝传感器

惠斯通热通量传感器

•在单面桥设计中（图6），所有臂都位于基板的同一侧，两个臂的隔热厚度不同于其他两个臂

•已经制造了一个高温传感器，用于测量进入脉冲爆震发动机（PDE）壁面的热流（图7）

9

图7.采用电阻桥的PDE热流传感器

图6单面薄膜惠斯通电桥热通量传感器

惠斯通热通量传感器

•方法

–对于厚度为l且导热系数为k1的传感器测量进入厚度为l且导热系数为k2的基板的热流的情况，信号为

式中，V是电桥励磁电压，β是电桥材料的电阻温度系数，Q是热流

–通常，对于双面轨距，l=0.040“=1.016×10-3 m，l=1”=2.54×10-2 m，k1=36 W/m/K（Al2O3），k2=15 W/m/K（304型不锈钢）和β=3.98×10-3 K-1（Pt）

–然后，在电桥激励电压为1伏，热流Q为1 W/cm2=104 W/m2时，VSIG=528（μV/V）/（W/cm2）

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21122KLQKLQVVSIG公司

惠斯通热通量传感器

•方法（续）：

–在传感器没有热通量的情况下，所有电桥元件（图6中的A、B、C和D）都处于初始温度T0，电阻为R0。

–应用热流，两个元素