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2010年第29卷第3期
传感器与徵系统( Transducer and Microsystem Technologies
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基于热电效应的热流传感器设计
李?东,皮桂英,鞠文斌,张玉泉
(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001)
摘要:基于金属的热电效应和热传导原理,经过理论分析计算,设计了一种高量程的热流传感器,并通
过机加工艺、焊接工艺及涂敷工艺实现了热流传感器制作。性能测试与数据处理结果表明:该传感器输出
信号与热流近似成正比,热流测量范围为0~3000kW/m2,测量精度优于士4%FS,耐辐射温度达1700℃。
关键词:热流侒感器;热电效应;热沉体
中图分类号:TP212文献标识码
文章编号:1000-9787(2010)03-0097-02
Study on heat flux sensor technology based on
thermo-electric effect
L Ri-dong, PI Gui-ying, U Wen-bin, ZHANG Yu-quan
The 49th Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 150001, China
Abstract: A high-range heat flux sensor is designed based on metal thermo-electric effect and the principle of
thermal conduction. The sensor is realized through the techniques of mechanical process, welding and coating. The
result of characteristic and environmental test and data processing indicate that the signals produced by sensor is
almost direct proportion to heat flux. The measuring range of heat flux is 0-3000 kw/m, the precision is above
士4%FS, radiation temperature is1700℃て
Key words: heat flux sensor; thermo-electric effect; heat sink body
量迅速沿其半径方向流动,通过沉热体把吸收的热量带走,
热流是对热学中热传递过程的描述,其中包括的温度从而獻铜板边缘的温度比康铜板中心的温度要低,康铜板
和热量都是最基本的物理量,两者既有区别又有联系。从的温度沿康铜片的直径方向形成温度梯度,中心温度远远
温度高的物体到澋度低物体的热移动就是热传递现象,热高于周边温度,温度分布特性如图1所示。
传递有传导、对流和熱辐射3种方式。由于过某一点沿非等
中心温度
温面方向的温度是变化的,因此,在这些方向上有热量的传
周边温度
递,若把单位时间与单位面积上传递的热量定义为热流密
度,则在不同方向有不同的热流密度,就是通常所说的热流。
热流测量在国防工程中有着广泛的应用,随着空间技
康铜板中心
术的发展,高量程热流测量技术近年来发展的较快山。美
图1传感器康铜板温度分布示意图
国的 VALLEL公司和II公同等的产品能测量到3MW/
Fig 1 Schematic diagram of temperature distribution
m2,温度可达1600℃2。国内此方面技术研究起步比较
将康铜板看成是热偶的一极,把沉热体看成热偶的另
晚,实用化产品少。本文介绍了一种利用金属的热电效应一极,从康铜板中心和沉热体分别引出热电偶丝就组成了
和热传导理论设计的一种高可靠性的热流传感器。采用特铜-康铜铜热电偶,于是,人射的热流φ的强弱便是热电偶
殊的焊接工艺和涂敷技术,设计并制作出一体化热流传感输出电势的大小。热流g与输出电势E的关系为
器,可实现对0~3000kW/m2的热流线性输出。
E/q=0.183R(/8,
工作原理
式中R为康铜板的半径;为康铜板的厚度;E/q为传感
敏感面是圆形康铜板,其四周用一个较大体积和质量器的灵敏度,它与康铜板的半径平方成正比,与厚度成反
的圆杜形铜体又称为沉热体支撑着,康铜板吸收热量q,热
比
收稿日期:2009-12-21
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传感器与微系统
第29卷
当热流q用康铜板的中心温度与周边温度之差△7表温度保持基本稳定,在康铜板上沿热量传递方向形成温度
示时,有
梯度,康铜板中心的热电偶与康铜板边缘的热电偶形成温
=40AAT/2
度差,产生热电信号,信号的大小与所测的热流值有关。由
式中△T为中心混度与周边温度之差,AT=f(E);为康于测量范围宽,在热流值达到3000kW/m2时,辐射温度可
铜板导热系数;R为康铜板的半径。
达1700℃,为提高传感器的耐温温度,在不影响传感器性
由上式可见,g与△7的关系是非线性的,这是因为导能的条件下,为需满足力学、热学、电学等条件,采用耐高
热系数λ是非线性的,但热电势E却正好以相同的速率在温、绝缘性好的陶瓷材料,传感器的康铜片与陶瓷垫齐平,
相反的方向上随温度而变化。因此,热电势的非线性正好表面涂黑,提高康铜片的吸热效果?。外壳采用钛合金材
与导热系数的非线性相互补偿。为了提高康铜板的吸热料,从而提高了传感器的结构强度和耐高温性能
率,确保输出信号的灵敏度,在康铜表面涂敷黑色碳化硼,3试验测试
可达到充分吸收热量和提高强度的作用。康铜片与热沉体
采用热流计量校准装置,对热流传感器进行检测
之间采用高真空钎焊技术,在钎焊过程中零件处于真空条实际测试曲线如图4所示。
件下,不会出现氧化、增碳、脱碳及污染变质等现象,零件整
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体受热均匀热应力小,可将变形量控制到最小限度“,适
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宜精密焊接。
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2
结构设计
0
2.1敏感体结枸设计
6
4
传感器敏感体采用金属的热电效应原理制做,主要由
03006009001200150018002100240027003000
康铜片、电偶丝、沉热体和结构件组成,如图2所示。
热流kW·m2
图4热流传感器输出特性曲线
Fig 4 Curve of output characteristics of heat flux
通过图4可以看出:当热流值达到3000kW/m2时,传
铜体
感器输出为20.9mV。传感器输出曲线与理论直线存在非
热电偶丝
线性误差,这主要是由康铜片的传热特性造成的。对4只
图2传感器敏感体示意图
样品进行了测试,结果见表
Fig 2 Schematic diagram of sensing part
表1传感器设计与测量值
2.2传感器结构设计
Tab I Design and measurement result of sensor
传感器的结构如图3所示。陶瓷垫1与传感器的敏感
3000kW/