耐高壓微秒響應高溫傳感器的製作方法

2024-01-24 05:15:15

專利名稱：耐高壓微秒響應高溫傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於熱電偶型高溫測量傳感器，是用於高膛壓槍炮膛壁表面溫度及燃氣發動機汽缸內壁溫度等任何高壓環境下高溫測量的耐高壓微秒響應高溫傳感器，由引出線、壓螺、密封殼、熱電偶外殼、偶極組成。
長期以來，在測溫領域迫切需要一種耐高壓、壽命長、而且響應時間為微秒量級的測溫傳感器。例如在研究身管武器的使用壽命時，首先要研究身管燒蝕問題，因此往往需要在發射條件下，直接測量槍炮身管內壁的表面溫度。這種測量要求傳感器能耐壓200～600MPa，甚至更高，響應時間要在10微秒以內，而且要耐燒蝕。
國內外已研製成功多種測溫器件，但都不能同時滿足耐高壓、壽命長、響應快、能直接測溫的技術要求。例如國外科技考察報告83－03(總52)《傳感器設計製造及發展動向》指出美國Medtherm公司研製的薄膜式熱電偶響應時間雖能達到10微秒以內，但沒有耐壓能力，而且不耐燒蝕，測量最高溫度為3000°F。再如AD－A046606報告中，O.K.Heineg等人研製的熱電偶，只能耐壓30000psi(約200Mpa)，且響應時間約50微秒。
本實用新型的目的就是克服現有技術上存在的缺點，設計一種使用壽命長、能耐壓600Mpa且響應時間為微秒量級的高溫傳感器。
本實用新型的構思選用同軸式熱電偶為感溫元件，設計二級塔式變截面同軸園臺形偶極和微米級(3～6微米)的極間間隙，通過鍍膜加燒結保證偶極絕緣及耐壓強度；採用爆炸滲透方法形成可以再生的分子滲透導電膜偶結，使偶結具有超小質量，以提高響應速度並延長壽命；外形尺寸與彈道測壓傳感器一致，具有可以互換的安裝及密封方式，便於使用。
本實用新型由引出線［1］，壓螺［2］，密封殼［3］，熱電偶外殼［4］，A極［5］，介質膜［6］，B極［7］，分子滲透導電膜［8］，介質膜［9］，填充物［10］組成。
引出線［1］採用φ2mm標準Ni－Cr、Ni－Si鎧裝絲，主要作用是引出熱電信號，與偶極B、A配合形成熱偶的冷端和熱端。其特點是可以彎曲，符合國標，使用方便。
壓螺［2］採用馬氏體時效高強度不鏽鋼，特點是強度高，外形及安裝尺寸與彈道測壓傳感器一致，使用方便。
密封殼［3］材料同壓螺［2］，採用端面密封，特點同壓螺［2］。
熱電偶外殼［4］材料同壓螺［2］，其作用是保護偶極。
介質膜［6］材料為SiO2，起A、B偶極間的絕緣作用。
B極［7］和A極［5］分別採用標準Ni－Cr和Ni－Si絲加工成二級塔式園臺形(錐度在1／30～／150以內)變截面同軸偶極，極間間隙3～6微米，用介質膜［6］絕緣，其特點是耐高壓。
分子滲透導電膜［8］選用銅、銀、金等導電材料，採用爆炸、研磨等加壓滲透法形成厚度約2～5微米。特點在於偶結是直徑為1毫米的微米級園環，質量小，響應快，並可多次再生，使用壽命長。
介質膜［9］材料為SiO2，起絕緣作用。
絕緣填充物［10］材料為鉻化矽，起絕緣及保護焊點作用。
本實用新型的製造採用熱電勢分度值符合標準的Ni－Cr、Ni－Si絲材料加工成二級塔式變截面同軸園臺形偶極B和A，經鍍介質膜和燒結後，與引出線(φ2mm標準Ni－Cr、Ni－Si鎧裝絲)相焊接，焊點小於0.3mm，熱電偶外殼中填加絕緣填充物，鑲入偶極燒結，構成本實用新型感溫元件，然後鑲入密封殼，通過線密封及粘結後套上壓螺構成本實用新型。
本實用新型可將B極［7］和A極［5］作成二級塔式半園臺形，偶結是帶形分子滲透導電膜，能使感溫元件外徑減小到φ0.5～φ1mm。
本實用新型的優點是能在600MPa高壓環境下直接測量瞬態高溫。偶結為分子滲透導電膜，響應時間在10微秒以內，偶結可多次再生，性能穩定，使用壽命長，結構簡單，使用方便。廣泛適用於槍炮膛壁，燃氣發動機汽缸內壁、金屬成形模具等表面溫度測量。首次在實彈射擊中獲得火炮膛壁溫度曲線的直接測量，並與測壓同時進行。
本實用新型
如下圖1是耐高壓微秒響應高溫傳感器的剖面圖［1］－引出線，［2］－壓螺，［3］－密封殼，［4］－熱電偶外殼，［5］－A級，［6、9］－介質膜，［7］－B級，［8］－分子滲透導電膜，［10］絕緣填充物。
圖2－a是圖1中偶極的剖面圖。
圖2－b是圖2－a的仰視圖。
圖3－a是圖1中偶極的另一種結構剖面圖。
圖3－b是圖3－a的仰視圖。
圖4是耐高壓微秒響應高溫傳感器測溫曲線照片。
實施例1、參照附圖1實施，採用熱電勢分度值符合標準的Ni－Cr、Ni－Si絲作為B極［7］和A極［5］的材料，將B極加工成最大直徑為φ1mm，最小直徑為φ0.5mm，長為9mm，錐度為1／40的二級塔式園臺形。A級最大外徑φ3mm，最小外徑φ2.4mm，長為9mm，錐度1／50，內壁尺寸與B級外形尺寸一致，控制3～6微米正公差。A、B極鍍SiO2介質膜，B極鑲入A極中在800℃下燒結。將φ2mm標準Ni－Cr、Ni－Si鎧裝絲(引出線1)截成長150mm後，在一端留出3mmNi－Cr、Ni－Si絲焊頭分別與B、A極焊接，焊點直徑應小於φ0.3mm。為保證A極與熱電偶外殼［4］絕緣良好，在A極外表面也鍍5～8微米SiO2介質絕緣膜［9］。在熱電偶外殼中裝入鉻化矽絕緣填充物［10］，鑲入A、B極，再在850℃下燒結。裝配好的感溫元件用耐高溫環氧樹脂加100％金剛砂與密封殼［3］在加30MPa壓力下相粘接。偶極端部應研磨平，然後通過爆炸滲透法在偶極端面形成分子滲透導電膜偶結［8］。使用前套上壓螺［2］，傳感器輸出端連接測試電纜和相應的放大器。在多次使用中，傳感器總電阻若大於3歐姆，可用簡易研磨方式使偶結再生。
本實用新型在30mm高膛壓模擬炮上進行測溫試驗，首次直接測得單基發射藥(4／7單基藥，裝藥量為140克，藥溫23℃)的膛壁溫度隨時間的變化曲線。
2、按照附圖3實施，將B極［7］和A極［5］做成二級塔式半園臺形，感溫元件外徑為φ0.8mm，偶結是帶形分子滲透導電膜，其他結構及工藝參照實施例1。
權利要求1.一種耐高壓微秒響應高溫傳感器，由引出線[1]，壓螺[2]，密封殼[3]，熱電偶外殼[4]，A極[5]，介質膜[6]，B極[7]組成。其特徵在於B極[7]是二級塔式園臺形，A級[5]內壁與B級[7]以微米間隙銜接成同軸變截面偶極，並以介質膜[6]絕緣，熱電偶外殼[4]內壁與A極[5]相吻合，用介質膜[9]絕緣，熱電偶外殼中填加絕緣填充物[10]，偶結是分子滲透導電膜[8]，感溫元件外形呈園錐形。
2.根據權利要求1所述的高溫傳感器，其特徵在於B極［7］和A極［5］是二級塔式半園臺形，偶結是帶形分子滲透導電膜。
專利摘要本實用新型為耐高壓微秒響應高溫傳感器，以同軸式熱電偶為感溫元件，其特徵是設計了二級塔式變截面同軸圓臺形偶極和微米級偶極極間間隙，採用分子滲透導電膜成偶。本實用新型能在600MPa高壓環境下直接測量瞬態高溫。偶結具有超小質量，可使響應時間在10微秒以內，並可多次再生，性能穩定，使用壽命長。廣泛適用於槍炮膛壁、燃氣發動機汽缸內壁、金屬成型模具等表面溫度測量。
文檔編號H01L35/00GK2055252SQ8921850
公開日1990年3月28日 申請日期1989年10月30日 優先權日1989年10月30日
發明者元天佑, 袁寶慧, 劉彥城, 趙學元, 楊厚雲, 陳家義, 趙壯華 申請人:西安近代化學研究所