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美國宇航局格倫研究中心
•R&T傳感器和電子部門
•物理傳感器儀器研究
•專長：薄膜高溫傳感器
簡介：
3.
•熱通量是許多參數之一，以及發動機設計師和流體動力學家感興趣的壓力、溫度、流量等
•熱通量的測量有助于直接確定熱段葉片和葉片的冷卻要求
•此外，如果已知表面和氣體溫度，則熱流測量可提供對流傳熱系數值，該值可與CFD代碼提供的值進行比較
熱流傳感器設計
•有各種熱流傳感器的設計，如Gardon儀表、塞規、薄膜熱電偶陣列和薄膜惠斯通電橋設計
•與金屬絲或金屬箔傳感器相比，使用薄膜傳感器有幾個優點：
–薄膜傳感器不需要對安裝在其上的部件進行特殊加工，并且厚度通常小于10微米，比電線或箔薄得多。
–因此，薄膜傳感器對工作環境的干擾更小，對支撐結構的物理和熱特性的影響最小。
•將描述兩種薄膜設計
4.
熱電堆薄膜熱流傳感器
•一般來說，熱流傳感器的操作取決于傅立葉熱傳導定律：
Q=-k（dT/dx）≈ -k（ΔT/Δx）
–測量已知導熱系數k的材料厚度Δx上的溫差ΔT，然后確定熱通量Q
•在熱電堆設計中，使用了兩種不同厚度材料下的溫差，如圖1和圖2所示：
5.
圖1.薄膜熱通量傳感器工作原理。
圖2薄膜熱電堆熱流傳感器
熱電堆薄膜熱流傳感器
•制造：
–如圖所示，在基板上沉積薄膜熱電堆
–如有必要，首先沉積電絕緣層
–在內部連接處沉積一層低導熱材料，如氧化鋯（如圖2所示）
–低熱導率層在內外連接處產生溫差
•方法：
–溫差（圖1中的T1–T2）為：
ΔT=T1–T2=Q{（x2–x1）/k}
–通常，x2=5μm，x1=1μm，k=1.4 W/m/k（氧化鋯）
–因此對于Q=1 W/cm2=104 W/m2→ ΔT≈ 29百萬
6.
熱電堆薄膜熱流傳感器
•對于高溫操作，將制造R或S型熱電偶（PtRh-Pt）的熱電堆，其輸出約為6μV/K
–對于40元件熱電堆，信號為（6μV/K）×（29×10-3 K/W/cm2）×40≈ 7μV/W/cm2
•在用高溫陶瓷代替貴金屬熱電偶方面做了一些工作（圖3）
–更高的輸出
–CrSi2-MoSi2的~100μV/K
對于ZnO-In2O3–~900μV/K
–在高溫下穩定
–可能出現滯后
–仍處于試驗階段
7.
圖3.氧化鋁基硅化物熱流傳感器
惠斯通熱通量傳感器
•在電橋設計中，通過測量惠斯通電橋一個或多個臂的電阻變化來測量Δx上的溫差
•在雙面設計中，橋的兩個臂位于基板頂部，另兩個臂位于底部（圖4和圖5）
8.
圖4：雙面薄膜惠斯通電橋熱通量傳感器概念圖
圖5:CEV TPS的雙面Pt-on氧化鋁傳感器
惠斯通熱通量傳感器
•在單面橋設計中（圖6），所有臂都位于基板的同一側，兩個臂的隔熱厚度不同于其他兩個臂
•已經制造了一個高溫傳感器，用于測量進入脈沖爆震發動機（PDE）壁面的熱流（圖7）
9
圖7.采用電阻橋的PDE熱流傳感器
圖6單面薄膜惠斯通電橋熱通量傳感器
惠斯通熱通量傳感器
•方法
–對于厚度為l且導熱系數為k1的傳感器測量進入厚度為l且導熱系數為k2的基板的熱流的情況，信號為
式中，V是電橋勵磁電壓，β是電橋材料的電阻溫度系數，Q是熱流
–通常，對于雙面軌距，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型不銹鋼）和β=3.98×10-3 K-1（Pt）
–然后，在電橋激勵電壓為1伏，熱流Q為1 W/cm2=104 W/m2時，VSIG=528（μV/V）/（W/cm2）
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21122KLQKLQVVSIG公司
惠斯通熱通量傳感器
•方法（續）：
–在傳感器沒有熱通量的情況下，所有電橋元件（圖6中的A、B、C和D）都處于初始溫度T0，電阻為R0。
–應用熱流，兩個元素 |
