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摘要美国国家航空航天局格伦研究中心（GRC）自1999年以来一直在测试用于放射性同位素动力系统的高效自由活塞斯特林变换器。斯特林变换器已运行多年，以证明放射性同位素动力系统能够为潜在的多年任务提供可靠的动力。用于监测转换器性能变化的技术包括温度、压力、能量添加和能量抑制的测量。在斯特林变换器试验装置中采用了多孔体绝缘，以减少电热源对环境的热能损失。在长时间运行之前对绝缘进行了表征，从而使变流器的净热能增加量能够相互关联。老化微孔体绝缘改变了绝缘效率，引入了净热能增加的相关误差。设计并制作了一种薄膜热流传感器，用于直接测量斯特林变换器的净热能。制造技术包括滑动铸造和物理气相沉积（PVD）。用一微米厚的贵金属热电偶测量了氧化铝陶瓷盘表面的温度，计算了热通量。介绍了一种薄膜热流传感器的制作、集成和测试结果。崩溃厚膜热流计的设计与制作
超高温环境传感器
熊继军
中北大学分院仪器科学与动态测量重点实验室，中国太原030051
中北大学分院电子测试实验室科学技术，中国太原030051
这项工作部分由中国国家自然科学基金资助，授予U183209，授予51425505，并授予。
61471324人，部分被山西省优秀青年人才扶持计划，部分被山西省“1331工程”重点扶持
学科建设。
本文介绍了一种陶瓷基厚lm热ux传感器（TFHFS），用以监测工业生产中的热ux
描述了高温环境。TFHFS由130对Pt/Rh热电偶组成
在陶瓷基体上呈蛇形分布。一个绝缘体被用来产生温度
差分，这增加了热电势（输出电压）并提高了传感器的灵敏度
拟定TFHFS。有两对独立的热电偶用于温度监测。屏幕-
制作过程采用印刷工艺。表征结果表明，铂电极
在1350℃烧结后，Pt/Rh电极连接良好，电极的厚度和宽度增加
热电偶电极分别约为20 m和300 m。测试结果表明
所提出的热 ux传感器的最大输出电压约为1.44 mV，热
在0.025～0.030mv/（kW/m2）范围内，3～57kw/m2的ux灵敏度分布均匀
结果表明，该传感器在给定的加热范围内具有较高的灵敏度。此外，
可重用性研究表明，所制备的TFHFS具有稳定的输出电压和较低的功耗
50ࡉ900 C时的误差水平。因此，我们假设所提出的传感器可以用来监测热量
ux在涡轮机械和航空航天工业等恶劣应用中的应用。
索引词陶瓷传感器，热传感器，高温监测，热电偶。
一。导言
热能传递研究中的热量测量
在恶劣的环境中，如核电站中是必不可少的
现代涡轮机械，或者说高温
航天器的加热率和空气动力载荷
保护系统[1][3]。一个好的热传感器应该
具有体积小、干扰小等优点
环境、高精度和灵敏度[4]。此外，
热的长期测量-
要求很高。例如，随着燃料成本的增加，
航空公司面临着降低燃油消耗的挑战，而
下一代商用飞机将需要
更高的燃油效率。最简单的方法是
使发动机在更高的温度下运转。因此，有
迫切需要一种能够承受
负责协调本手稿审查的副主编
批准出版的是亚辛·马利赫。
更高的温度以实现高温下的热 ux监测-
温度环境，控制热传递ef cacy[5]。
几种热传感器，如薄lm型Gordon
类型和插头式传感器已经开发出来[6][12]。
斯科特D。威尔逊研究了一个薄的lm热ux传感器阵列，
用于斯特林变换器的热工测试。
该仪表需要复杂的冷端补偿，以及
由于它的厚度，它对热的反应很慢
ux[7]。克里斯托弗报告了一个薄的lm热ux传感器
由一系列基于不同温度的铂/铑热电偶组成-
耳鼻咽喉基底。尽管其响应频率很高（3 kHz），
它的灵敏度很低[13]。西奥菲洛斯和他的团队
采用热喷涂技术，研制了一种热氧传感器-
ogy，并实现了100℃下的热 ux测试[14]。威尔逊S D
设计了一种薄型lm电阻热ux传感器并进行了测试
温度在120摄氏度。然而，高温试验
本研究中未进行[6]。大部分热量
用于高温环境的传感器需要
水冷设备的使用，如施密特-波尔特
2019年第7卷本作品获得知识共享署名4.0许可。有关详细信息，请参阅TZhang等人：超高温环境下TFHFS的设计和制造
图1。本设计中的热流测量理论。
和Gordon模型），导致繁琐的MEA本文介绍了热流测量原理。
和Gordon模型），从而导致繁琐的测量
系统[15]。因此，有必要发展一个高质量的-
无需水冷的温度热传感器-
惯性导航与制导。此外，还讨论了热传感器的制作工艺
上面提到的是复杂和昂贵的。厚 lm
传感器具有与薄lm传感器相同的优点，例如
对测试环境的影响较小，响应时间较短
次数[13]，[16]。更重要的是，厚度
lm传感器是薄的 lm传感器的10倍或更多；
因此，厚lm传感器在超高压下具有更好的耐用性
更适合在恶劣环境中使用-
是的。
在这项研究中，一个厚lm热ux传感器（TFHFS）为基础
对一维传热进行了研究。这位参议员-
sor是以Al2O3陶瓷为基础的，共有130对Pt-
铂/铑热电偶呈蛇形分布。
丝网印刷用于放置热电偶和
实现热电偶连接。铂和铂-
热电元件选用inum/10%铑（Pt/Rh）
材料。形态和参数特征
用激光共聚焦显微镜研究了该传感器的性能-
范围和扫描电子显微镜（SEM）。最终，
研究了所制备的传感器的传感性能
分析。与设计的热传感器相比[17]
以前，这种设计在内部集成了更多的热电偶
同样的区域，简化了制造过程。毛皮-
传感器的安装和测试方向
以减少基板热量的影响
传感器测试结果的传导。另外，两个
tempera增加了成对的独立热电偶-
实时监控。
A.原则
热传感器基于傅里叶定律和塞贝克定律
效果。介绍了本设计中的热量测量原理
如图1所示。
根据Fourier定律，推导出了热量的计算公式
ux密度q如（1）所示。
q D kdT=dx（1）
q表示接口上的热量ux，k表示
物体的热导率，dT/dx是变化率
指定厚度的温差
对象。根据塞贝克效应，热电偶
图2设计的TFHFS结构图。
串联并联的输出电压U为：
美国国家安全局（2）
N是热电偶的数量（TC），SAB代表
TC金属的塞贝克系数（金属A和B，如图所示
在图1中）。
热传感器的灵敏度定义为：
S D U=q（3）
通过合成（1）、（2）和（3），S等于：
S D NSABdx=k（4）
因此，从（4）中，灵敏度S与N，k，
dx和TC材料的Seebeck系数。此外，
如（2）所示，输出电压取决于N、dT和
TC材料的Seebeck系数。
B传感器设计
在机理分析的基础上，提出了一种适用于恶劣环境的TFHFS-
如图2所示，提出了一种新的方法来增强
传感器在高温环境下的耐久性，
该传感器是基于氧化铝陶瓷基板，而
铂（Pt）和铂/10%铑（Pt/Rh）为des-
指定为TC材料。TCs连接在一起
一种蛇形结构，位于铝合金表面-
mina陶瓷基板用作传感空间。
纳米氧化硅具有导热性
0.013 w/m/k，用作隔热材料。它覆盖了一半
如图2所示。此外，两对独立的
热电偶位于热电偶的两侧
温度监测系列。一个的热连接
热电偶（TC1）埋在保温层下面
测量绝缘层下的温度，以及
其他热电偶（TC2）直接暴露在空气中
测量环境温度。
铂和铂/铑信号电极，如图2所示，
从高温区延伸到低温区-
温度区域，有利于读出
测试信号。130对晶体的热电势
热电偶，由于
180772第7卷，2019年
TZhang等人：超高温环境下TFHFS的设计和制造
表1.TFHFS的参数。
表2丝网印刷网的参数。
热接点和冷接点串联，以获得
热量传感器的输出电压。表1列出了
设计的TFHFS的相关参数。注意h
是绝缘体的宽度；L是传感器的边长
面积，即正方形；Tx表示厚度，其中x
表示绝缘体、陶瓷基板或热电偶；我和
d是单个铂或铂/铑电极的长度和宽度
分别为TC。
二。传感器制造
A.制作
丝网印刷技术与陶瓷的结合
电子制造比其他制造业更简单、更便宜
方法[18]，a |
