張翠平，方 俊

(1.南京理工大學紫金學院機械工程學院，江蘇南京 210046；2.中國人民解放軍陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京 210007；3.河海大學力學與材料學院，江蘇南京 210098)

0 引言

熱流傳感器是研究熱量傳輸?shù)闹匾獋鞲性?，隨著熱流檢測技術(shù)與相關(guān)理論的發(fā)展，熱流傳感器在科學研究、航空航天、動力工程等方面有廣泛的應用，特別是高溫大熱流的應用，在無法采用水冷、風冷等冷卻手段時，需采用自身儲熱的方式工作，熱結(jié)構(gòu)和儲熱體設(shè)計的優(yōu)劣決定了工作時間的長短?，F(xiàn)有的熱流傳感器在儲熱體尺寸一定的前提下，由于暴露在高溫環(huán)境下而沒有良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，導致儲熱體溫度不能長時間恒定，從而引起傳感器測量誤差，限制了在一些需要長時間測量的、高量程熱流情況下的應用。

熱流傳感器基于熱電偶原理，輸出的信號是微弱的電動勢信號，一般在幾個mV左右。該微弱的電信號受到材料、制作工藝等的影響，同一量程尤其是大量程的、不能帶水冷措施的熱流傳感器輸出差別較大。為便于后續(xù)系統(tǒng)對該信號進行處理，提高系統(tǒng)信噪比，通常情況下需要對傳感器輸出的弱信號進行放大濾波處理，以保證傳感器輸出信號高度一致。

目前，國內(nèi)外的許多研究機構(gòu)和科研工作者都在熱流傳感器的研制方面做了大量的工作，但主要集中于原理性的、新材料等的研究，基于如何提高大量程的、不能帶水冷措施的熱流傳感器的測量時間以及信號的歸一化輸出研究甚少。本文結(jié)合所建立的熱傳導模型，優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝，以期在儲熱體尺寸不變的情況下，延長熱流傳感器在高溫高量程熱流輻射下的工作時間，以及實現(xiàn)傳感器信號的歸一化輸出。

1 熱流傳感器的工作原理及熱傳導模型

本文以熱電堆式熱流傳感器為例。熱電堆式熱流傳感器是基于溫度梯度設(shè)計的熱流測試器件，其熱流敏感元件(測頭)的示意圖如圖1所示，熱電堆均勻纏繞在熱阻層上，保證熱電偶的結(jié)點分布在同一垂直的面上。熱阻層的上表面接受外界垂直入射的熱流，熱流在熱阻層上沿著軸向熱傳導，在熱阻層的上下表面形成溫度梯度。熱電堆通過熱阻層上下表面的溫度差來測量熱流密度[1-2]。

圖1 熱電堆式熱流傳感器的結(jié)構(gòu)圖

圖2為熱電堆的原理圖，通過把n支相同型號的熱電偶依次將正、負連接，以提高靈敏度和測量精度，其總電勢等于每對熱電偶產(chǎn)生的熱電勢之和。

圖2 熱電堆原理圖

一般來說，熱電堆式熱流傳感器的電壓輸出正比于熱阻層兩邊的溫差ΔT：

E=nE1=nSTΔT

(1)

式中：E1為任意一對熱電偶產(chǎn)生的熱電勢；ST為熱電堆材料的塞貝克系數(shù)；n為熱電偶的數(shù)目。

要計算熱阻層兩邊的溫差ΔT，就必須建立傳感器結(jié)構(gòu)的熱傳導模型，經(jīng)分析，模型如式(2)所示[1]：

(2)

式中：q為輻射熱流；λ為熱阻層的導熱系數(shù)；l為熱阻層的厚度。

將式(2)代入式(1)就可以得到熱流大小與輸出電壓之間的關(guān)系：

(3)

式中C為熱流計的測頭系數(shù)，其含義是當密度為只取其數(shù)值的熱流垂直通過熱流計測頭時，測頭產(chǎn)生的電勢。實際應用中可以通過選擇不同的材料和設(shè)置不同數(shù)目的熱電偶來控制它的大小。

從式(3)可以看出，能夠引起熱流大小q與輸出電壓E之間關(guān)系變?yōu)榉蔷€性的因素有2個：熱阻層的導熱系數(shù)λ隨溫度發(fā)生了變化；熱電堆材料的塞貝克系數(shù)ST隨溫度發(fā)生了明顯變化。這兩種情況下，關(guān)系式都不再是線性的。根據(jù)實測數(shù)據(jù)及Abaqus有限元仿真結(jié)果，如圖3和圖4所示，當工作時間超過150 s或熱阻層上下表面溫度差達到一定數(shù)值時，式(3)的線性關(guān)系不再成立[1]。為保證在高溫大量程熱流測量情況下，輸出仍線性且能滿足一定的測量時間，除了選擇合適的熱阻層材料和熱電堆材料，在傳感器整體結(jié)構(gòu)上也必須要合理優(yōu)化。

圖3 熱阻層上下表面溫差數(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)比較圖

圖4 熱電堆的溫度差與輸出電壓的關(guān)系曲線(以E型材料為例)

2 熱流傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證式(3)輸出與輸入的線性關(guān)系，一般保持熱阻層的下層溫度恒定，在不方便采取水冷措施的前提下，下層采用儲熱體的方式，將多余的熱量吸收以保持下層溫度恒定，但由于儲熱體不可能無限儲熱，這就有了工作時間的限制。為解決這個問題，針對高量程大熱流的測量需求對熱流傳感器進行了如圖5所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖5 熱流傳感器結(jié)構(gòu)圖

它主要由不銹鋼殼體、熱流敏感芯體(由敏感面和2段截面不等的圓柱形銅儲熱體組成)、絕熱瓷環(huán)A、絕熱瓷環(huán)B、轉(zhuǎn)接電路板、不銹鋼端蓋、安裝螺釘和彈性墊圈、隔熱膠及外接導線等組成。

絕熱瓷環(huán)A采用易加工的微晶云母陶瓷，在保證結(jié)構(gòu)可靠的前提下，由于陶瓷導熱系數(shù)比不銹鋼低很多，因此當有正面熱流入射時，減少熱量向儲熱體的傳遞，減少儲熱體的溫升，延長工作時間。絕熱瓷環(huán)B的功能同絕熱瓷環(huán)A，減少熱量向儲熱體的傳遞。圓柱形銅儲熱體(圖中熱流芯體的一部分)外表面拋光并鍍上一層薄薄的銀，利用銀層將四周輻射過來的熱流反射回去，保證儲熱體的溫度不受外界影響，能長時間保持恒定，延長工作時間。熱流敏感芯體的敏感面涂覆黑體輻射涂料，提高敏感面吸收率。同時為保證信號輸出的一致性及整體結(jié)構(gòu)的可靠性，在絕熱瓷環(huán)B上放置轉(zhuǎn)接電路板，芯體輸出線通過轉(zhuǎn)接電路板上穿孔線和過孔線焊接可靠固定，并將敏感芯體的輸出信號進行調(diào)理后再將信號接入外接導線，絕熱瓷環(huán)B和轉(zhuǎn)接電路板空腔處灌以隔熱膠，之后外接導線通過熱流端蓋的通孔輸出到外部接入電連接器。

經(jīng)過上述結(jié)構(gòu)和工藝的改進，在儲熱體尺寸不變的情況下，熱流傳感器能夠在高溫高量程熱流輻射下長時間工作，在1 MW/m2以上的輻射熱流下工作時間能夠延長20%以上。

3 熱流芯體的信號調(diào)理電路設(shè)計

熱流傳感器輸出的微弱電信號受到材料、制作工藝等的影響，同一量程尤其是大量程的、不能帶水冷措施的熱流傳感器輸出差別較大。為便于后續(xù)系統(tǒng)對該信號進行處理，提高系統(tǒng)信噪比，通常情況下需要對傳感器輸出的弱信號進行放大濾波處理，以保證傳感器輸出信號高度一致。由于結(jié)構(gòu)所限，圖5中所示的轉(zhuǎn)接電路板尺寸不能太大，因此信號調(diào)理電路中的運放選擇集成度較高的儀用放大器AD620。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，且有8引腳的SOIC封裝，尺寸很小，適合本項目的需求。具體的調(diào)理電路如圖6所示。圖中的OUT-和OUT+是熱流敏感芯體的輸出，與-IN和+IN之間的連接通過圖5中轉(zhuǎn)接電路板上的過孔完成，保證連接的可靠性。

圖6 信號調(diào)理電路

根據(jù)圖6，AD620的輸出輸入關(guān)系式為

(4)

其中R由圖6中R1和R2并聯(lián)組成，根據(jù)芯體的實際輸出，選擇合適的R2，保證同一量程熱流輸入時，輸出的電壓值Vout值基本一致。

4 試驗測試

采用熱流傳感器校準裝置，對采用上述結(jié)構(gòu)、工藝和調(diào)理電路制作的20支熱流傳感器(量程為1 MW/m2)進行檢測，測試結(jié)果如表1所示。

表1 同一量程不同編號的熱流傳感器輸出值 mV

從測試數(shù)據(jù)可以看出，傳感器的輸出一致性較好，誤差基本在5%范圍以內(nèi)。

對工作時間進行測試，如圖3所示，一般情況下在1 MW/m2入射熱流下，工作時間超過150 s左右輸出出現(xiàn)非線性，而采用文中所述結(jié)構(gòu)后，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 同一支熱流傳感器在不同時間的輸出值

從測試數(shù)據(jù)可以看出，傳感器的工作時間在200 s以后出現(xiàn)下降，也就是說采用新的結(jié)構(gòu)后在1 MW/m2入射熱流下傳感器工作時間能持續(xù)200 s左右，相比之前的結(jié)構(gòu)工作時間延長了20%以上。

5 結(jié)論

本文結(jié)合所建立的熱傳導模型，分析影響熱流傳感器不能長時間工作的因素，設(shè)計并優(yōu)化了傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝，在儲熱體尺寸不變的情況下，熱流傳感器能夠在高溫高量程熱流輻射下長時間工作，在1 MW/m2以上的輻射熱流下工作時間能夠延長20%以上，且經(jīng)小批量生產(chǎn)驗證后，同一量程的傳感器輸出誤差在5%以內(nèi)，基本實現(xiàn)了傳感器信號的歸一化輸出。因此該熱流傳感器適用于在無法采取水冷措施的情況下高溫高熱流環(huán)境下長時間有效工作，且輸出信號的信噪比高、能實現(xiàn)無縫更換，在宇航、空間技術(shù)和一些高科技領(lǐng)域中具有良好的應用前景。