高温大量程热流传感器结构及信号调理电路的设计

张翠平，方 俊

(1.南京理工大学紫金学院机械工程学院，江苏南京 210046；2.中国人民解放军陆军工程大学野战工程学院，江苏南京 210007；3.河海大学力学与材料学院，江苏南京 210098)

0 引言

热流传感器是研究热量传输的重要传感元件，随着热流检测技术与相关理论的发展，热流传感器在科学研究、航空航天、动力工程等方面有广泛的应用，特别是高温大热流的应用，在无法采用水冷、风冷等冷却手段时，需采用自身储热的方式工作，热结构和储热体设计的优劣决定了工作时间的长短。现有的热流传感器在储热体尺寸一定的前提下，由于暴露在高温环境下而没有良好的结构设计，导致储热体温度不能长时间恒定，从而引起传感器测量误差，限制了在一些需要长时间测量的、高量程热流情况下的应用。

热流传感器基于热电偶原理，输出的信号是微弱的电动势信号，一般在几个mV左右。该微弱的电信号受到材料、制作工艺等的影响，同一量程尤其是大量程的、不能带水冷措施的热流传感器输出差别较大。为便于后续系统对该信号进行处理，提高系统信噪比，通常情况下需要对传感器输出的弱信号进行放大滤波处理，以保证传感器输出信号高度一致。

目前，国内外的许多研究机构和科研工作者都在热流传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、不能带水冷措施的热流传感器的测量时间以及信号的归一化输出研究甚少。本文结合所建立的热传导模型，优化传感器的结构和工艺，以期在储热体尺寸不变的情况下，延长热流传感器在高温高量程热流辐射下的工作时间，以及实现传感器信号的归一化输出。

1 热流传感器的工作原理及热传导模型

本文以热电堆式热流传感器为例。热电堆式热流传感器是基于温度梯度设计的热流测试器件，其热流敏感元件(测头)的示意图如图1所示，热电堆均匀缠绕在热阻层上，保证热电偶的结点分布在同一垂直的面上。热阻层的上表面接受外界垂直入射的热流，热流在热阻层上沿着轴向热传导，在热阻层的上下表面形成温度梯度。热电堆通过热阻层上下表面的温度差来测量热流密度[1-2]。

图1 热电堆式热流传感器的结构图

图2为热电堆的原理图，通过把n支相同型号的热电偶依次将正、负连接，以提高灵敏度和测量精度，其总电势等于每对热电偶产生的热电势之和。

图2 热电堆原理图

一般来说，热电堆式热流传感器的电压输出正比于热阻层两边的温差ΔT：

E=nE1=nSTΔT

(1)

式中：E1为任意一对热电偶产生的热电势；ST为热电堆材料的塞贝克系数；n为热电偶的数目。

要计算热阻层两边的温差ΔT，就必须建立传感器结构的热传导模型，经分析，模型如式(2)所示[1]：

(2)

式中：q为辐射热流；λ为热阻层的导热系数；l为热阻层的厚度。

将式(2)代入式(1)就可以得到热流大小与输出电压之间的关系：

(3)

式中C为热流计的测头系数，其含义是当密度为只取其数值的热流垂直通过热流计测头时，测头产生的电势。实际应用中可以通过选择不同的材料和设置不同数目的热电偶来控制它的大小。

从式(3)可以看出，能够引起热流大小q与输出电压E之间关系变为非线性的因素有2个：热阻层的导热系数λ随温度发生了变化；热电堆材料的塞贝克系数ST随温度发生了明显变化。这两种情况下，关系式都不再是线性的。根据实测数据及Abaqus有限元仿真结果，如图3和图4所示，当工作时间超过150 s或热阻层上下表面温度差达到一定数值时，式(3)的线性关系不再成立[1]。为保证在高温大量程热流测量情况下，输出仍线性且能满足一定的测量时间，除了选择合适的热阻层材料和热电堆材料，在传感器整体结构上也必须要合理优化。

图3 热阻层上下表面温差数值模拟与实验数据比较图

图4 热电堆的温度差与输出电压的关系曲线(以E型材料为例)

2 热流传感器的结构设计

为保证式(3)输出与输入的线性关系，一般保持热阻层的下层温度恒定，在不方便采取水冷措施的前提下，下层采用储热体的方式，将多余的热量吸收以保持下层温度恒定，但由于储热体不可能无限储热，这就有了工作时间的限制。为解决这个问题，针对高量程大热流的测量需求对热流传感器进行了如图5所示的结构设计。

图5 热流传感器结构图

它主要由不锈钢壳体、热流敏感芯体(由敏感面和2段截面不等的圆柱形铜储热体组成)、绝热瓷环A、绝热瓷环B、转接电路板、不锈钢端盖、安装螺钉和弹性垫圈、隔热胶及外接导线等组成。

绝热瓷环A采用易加工的微晶云母陶瓷，在保证结构可靠的前提下，由于陶瓷导热系数比不锈钢低很多，因此当有正面热流入射时，减少热量向储热体的传递，减少储热体的温升，延长工作时间。绝热瓷环B的功能同绝热瓷环A，减少热量向储热体的传递。圆柱形铜储热体(图中热流芯体的一部分)外表面抛光并镀上一层薄薄的银，利用银层将四周辐射过来的热流反射回去，保证储热体的温度不受外界影响，能长时间保持恒定，延长工作时间。热流敏感芯体的敏感面涂覆黑体辐射涂料，提高敏感面吸收率。同时为保证信号输出的一致性及整体结构的可靠性，在绝热瓷环B上放置转接电路板，芯体输出线通过转接电路板上穿孔线和过孔线焊接可靠固定，并将敏感芯体的输出信号进行调理后再将信号接入外接导线，绝热瓷环B和转接电路板空腔处灌以隔热胶，之后外接导线通过热流端盖的通孔输出到外部接入电连接器。

经过上述结构和工艺的改进，在储热体尺寸不变的情况下，热流传感器能够在高温高量程热流辐射下长时间工作，在1 MW/m2以上的辐射热流下工作时间能够延长20%以上。

3 热流芯体的信号调理电路设计

热流传感器输出的微弱电信号受到材料、制作工艺等的影响，同一量程尤其是大量程的、不能带水冷措施的热流传感器输出差别较大。为便于后续系统对该信号进行处理，提高系统信噪比，通常情况下需要对传感器输出的弱信号进行放大滤波处理，以保证传感器输出信号高度一致。由于结构所限，图5中所示的转接电路板尺寸不能太大，因此信号调理电路中的运放选择集成度较高的仪用放大器AD620。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，且有8引脚的SOIC封装，尺寸很小，适合本项目的需求。具体的调理电路如图6所示。图中的OUT-和OUT+是热流敏感芯体的输出，与-IN和+IN之间的连接通过图5中转接电路板上的过孔完成，保证连接的可靠性。

图6 信号调理电路

根据图6，AD620的输出输入关系式为

(4)

其中R由图6中R1和R2并联组成，根据芯体的实际输出，选择合适的R2，保证同一量程热流输入时，输出的电压值Vout值基本一致。

4 试验测试

采用热流传感器校准装置，对采用上述结构、工艺和调理电路制作的20支热流传感器(量程为1 MW/m2)进行检测，测试结果如表1所示。

表1 同一量程不同编号的热流传感器输出值 mV

从测试数据可以看出，传感器的输出一致性较好，误差基本在5%范围以内。

对工作时间进行测试，如图3所示，一般情况下在1 MW/m2入射热流下，工作时间超过150 s左右输出出现非线性，而采用文中所述结构后，测试数据如表2所示。

表2 同一支热流传感器在不同时间的输出值

从测试数据可以看出，传感器的工作时间在200 s以后出现下降，也就是说采用新的结构后在1 MW/m2入射热流下传感器工作时间能持续200 s左右，相比之前的结构工作时间延长了20%以上。

5 结论

本文结合所建立的热传导模型，分析影响热流传感器不能长时间工作的因素，设计并优化了传感器的结构和工艺，在储热体尺寸不变的情况下，热流传感器能够在高温高量程热流辐射下长时间工作，在1 MW/m2以上的辐射热流下工作时间能够延长20%以上，且经小批量生产验证后，同一量程的传感器输出误差在5%以内，基本实现了传感器信号的归一化输出。因此该热流传感器适用于在无法采取水冷措施的情况下高温高热流环境下长时间有效工作，且输出信号的信噪比高、能实现无缝更换，在宇航、空间技术和一些高科技领域中具有良好的应用前景。