[发明专利]一种测量沿壁面热流的平面型热流传感器及其标定方法

说明书

本发明公开了一种测量沿壁面热流的平面型热流传感器及其标定方法。薄膜热流传感器由3个铂电阻和1个热电堆组成，热电堆放置在最外侧两个铂电阻之间。传感器的静态特性标定时，提出一种小热流情况下根据热电堆冷热端温差和热电势实现塞贝克系数测量的标定思路。根据标定思路搭建标定装置，设置40℃至100℃的环境温度，同时使用较小功率的激光加载在传感器中心位置，热流沿传感器径向传递。系统稳态时，在热电堆冷热端形成小温差，通过温度差以及对应热电势的输出得到塞贝克系数，并根据不同环境温度得到塞贝克系数随温度的变化关系，实现塞贝克系数的标定。

技术领域

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。

发明内容

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：