一種用於測量表面瞬態溫度的傳感器及其製備工藝的製作方法
2023-11-10 16:15:22
本發明屬於傳感器技術領域，具體的說是涉及一種用於測量表面瞬態溫度的傳感器及其製備工藝。
背景技術：
溫度傳感器在冶金建材、熱能工程、動力機械、航空航天等多種領域有廣泛的應用，隨著科學技術的不斷進步，溫度傳感器的發展方向趨向於高溫快速響應方面，尤其是測量表面瞬態溫度的傳感器具有重要的應用價值。其中熱電偶是溫度測量中最簡單、最常用的溫度傳感器，傳統的熱電偶溫度傳感器由於受材料線徑大小的限制，已難以進一步減小熱接點體積，而熱接點體積的大小直接影響著傳感器的響應時間的快慢，所以傳統的熱電偶傳感器熱容量大，響應速度慢，難以實現對表面瞬態溫度的測量。
而薄膜熱電偶具有熱接點體積小、熱容量小、響應速度快等優點，因此在瞬態溫度測量中佔有非常重要的地位。同時薄膜熱電偶輸出的熱電勢一般在毫伏級，兩個熱電極之間、補償導線之間以及熱電偶和基體之間均要求具有良好的絕緣性，否則會由於熱電勢損耗而產生測量誤差，嚴重時甚至會導致測量無法進行。但是現有的薄膜熱電偶均不能滿足上述要求。
技術實現要素：
鑑於已有技術存在的缺陷，本發明的目的是要提供一種用於測量表面瞬態溫度的傳感器，其具有傳感器結構簡單、安裝方便、動態響應時間為毫秒級、測溫範圍50℃～600℃，能夠滿足表面瞬態溫度測量的要求等優點。
為了實現上述目的，本發明的技術方案：
一種用於測量表面瞬態溫度的傳感器，其特徵在於，包括：
感溫元件、雙孔陶瓷柱、保護套筒以及補償導線；其中所述感溫元件包括陶瓷基體、相互平行嵌入於所述陶瓷基體內的金屬絲式平行電極一和金屬絲式平行電極二、沉積於所述陶瓷基體端面上並與所述金屬絲式平行電極一和金屬絲式平行電極二搭接形成熱接點薄膜的功能薄膜以及沉積於所述功能薄膜表面的絕緣保護薄膜；所述保護套筒與感溫元件之間密封且使得所述金屬絲式平行電極一和金屬絲式平行電極二之間通過所述雙孔陶瓷柱絕緣；所述補償導線與保護套筒之間密封。
進一步的，作為本發明的優選
所述金屬絲式平行電極一為nicr合金材料，所述金屬絲式平行電極二為nisi合金材料。
進一步的，作為本發明的優選
所述功能薄膜為nisi合金材料；所述絕緣保護薄膜為sio2材料。
進一步的，作為本發明的優選
所述陶瓷基體採用金屬陶瓷。
進一步的，作為本發明的優選
所述保護套筒上設置有錐形螺紋安裝結構。
本發明的另一目的是要提供一種用於製備上述傳感器的製備工藝，其特徵在於，包括如下步驟：
步驟1、將金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二平行穿入雙孔陶瓷柱內；
步驟2、在所述金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二任意一端的表面均塗覆一層具有一定厚度的作為過渡瓷層用的金屬陶瓷並進行高溫燒結；
步驟3、在所述金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二已經過高溫燒結的表面再次塗覆一層具有一定厚度的作為基體瓷層用的金屬陶瓷，並將其再次進行高溫燒結以使得所述過渡瓷層以及所述基體瓷層燒結後形成陶瓷基體；
步驟4、上述帶有雙孔陶瓷柱以及陶瓷基體的金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二一併穿入保護套筒內並用耐高溫無機膠i將保護套筒與陶瓷基體相接觸的一端絕緣密封；
步驟5、對所述陶瓷基體的端面進行打磨並拋光；
步驟6、用磁控濺射方式在陶瓷基體被拋光的端面沉積功能薄膜；
步驟7、用磁控濺射方式在已沉積功能薄膜的表面沉積絕緣保護薄膜；
步驟8、將補償導線的正負極和金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二的正負極相對應纏結，然後用耐高溫無機膠ii絕緣將其密封在保護套筒內；
步驟9、在保護套筒上設置螺紋安裝結構。
進一步的，作為本發明的優選
所述雙孔陶瓷管為剛玉管，所述保護套筒為304不鏽鋼材料。
與現有技術相比，本發明的有益效果：
本發明具有結構簡單、安裝方便、動態響應時間為毫秒級，測溫範圍為50℃～600℃等優點，其適用於柴油機活塞表面瞬態溫度的測量以及激波風洞模型表面溫度的測量。
附圖說明
圖1為本發明所述的用於測量表面瞬態溫度的傳感器整體結構示意圖；
圖2a為圖1中的a處的局部剖視圖；
圖2b為圖1中的b處的局部剖視圖；
圖3為本發明所述傳感器的製備工藝流程圖；
圖4為本發明所述傳感器進行活塞測溫示意圖；
圖5為本發明所述傳感器表面測溫示意圖。
圖中：1、絕緣保護薄膜，2、功能薄膜，3、陶瓷基體，4、金屬絲式電極一，5、金屬絲式電極二，6、耐高溫無機膠i，7、雙孔陶瓷柱，8、保護套筒，9、錐形螺紋安裝，10、耐高溫無機膠ii，11、補償導線。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明設計了一種用於測量表面瞬態溫度的傳感器，其主要包括感溫元件、雙孔陶瓷柱、帶有螺紋安裝結構的保護套筒以及補償導線。
其中，如圖1—圖2a、圖2b所示，所述感溫元件包括陶瓷基體、兩個相互平行的電極即金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二、作為熱接點薄膜的功能薄膜和絕緣保護薄膜；兩個相互平行的金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二平行地嵌入陶瓷基體內，構成平行電極，在陶瓷基體端面沉積一層功能薄膜，該功能薄膜與平行電極搭接形成熱接點薄膜，最後在功能薄膜表面沉積一層絕緣保護薄膜；所述感溫元件與保護套筒之間採用耐高溫無機膠i密封，兩個平行的電極之間及其與保護套筒之間採用雙孔陶瓷柱絕緣，補償導線與保護套筒之間採用耐高溫無機膠ii絕緣密封，且在保護套筒上設置錐形螺紋安裝結構。
優選的，所述金屬絲式平行電極一採用nicr合金材料，所述金屬絲式平行電極二採用nisi合金材料；所述功能薄膜採用nisi合金材料，其厚度為800nm，所述絕緣保護薄膜採用sio2材料，其厚度為1μm；所述陶瓷基體採用金屬陶瓷，如型號為vitavmk95的金屬陶瓷；所述雙孔陶瓷管為剛玉管，所述保護套筒為304不鏽鋼材料；所述耐高溫無機膠為雙鍵db5012耐高溫無機膠；所述補償導線為與金屬絲式電極一、金屬絲式電極二相同材料的熱電偶補償導線；所述保護套筒上設置錐形螺紋安裝結構。另鎳鉻-鎳矽(nicr/nisi)合金是一組應用廣泛的廉價金屬熱電偶材料，可長期在900℃下使用，短期使用的最高溫度可達1200℃，高溫下的抗氧化能力及抗腐蝕能力都很強，而且具有熱電特性線性度好、靈敏度高等特點。
本發明的另一目的是要提供一種用於製備上述傳感器的製備工藝，其特徵在於，包括如下步驟：
步驟1、按要求將金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二平行穿入雙孔陶瓷柱內；
步驟2、在所述金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二任意一端的表面均塗覆一層厚度為0.1～0.3mm的作為過渡瓷層的金屬陶瓷並放入真空烤瓷爐進行高溫燒結；
步驟3、在所述金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二已經過高溫燒結的表面再次塗覆一層具有一定厚度的作為基體瓷層的金屬陶瓷，其直徑略大於保護套管的內徑，並將其再次放入真空烤瓷爐進行高溫燒結以使得所述過渡瓷層以及所述基體瓷層燒結後形成陶瓷基體；
步驟4、上述帶有雙孔陶瓷柱以及陶瓷基體的金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二一併穿入保護套筒內並用耐高溫無機膠i將保護套筒與陶瓷基體相接觸的一端絕緣密封；
步驟5、對所述陶瓷基體的端面用砂紙進行打磨並在拋光機上拋光；
步驟6、在高真空鍍膜機中，用磁控濺射方式在陶瓷基體被拋光的端面沉積功能薄膜；
步驟7、在高真空鍍膜機中，用磁控濺射方式在已沉積功能薄膜的表面沉積絕緣保護薄膜；
步驟8、將補償導線的正負極和金屬絲式電極一以及金屬絲式電極二的正負極相對應纏結，然後用耐高溫無機膠ii絕緣將其密封在保護套筒內；
步驟9、在保護套筒上設置錐形螺紋安裝結構。
進一步的，作為本發明的優選
所述雙孔陶瓷管為剛玉管，所述保護套筒為304不鏽鋼材料；所述耐高溫無機膠i以及耐高溫無機膠ii均為雙鍵db5012耐高溫無機膠；所述補償導線為與金屬絲式電極一、金屬絲式電極二相同材料的熱電偶補償導線。
傳感器製備工藝實施例：首先，將雙孔陶瓷柱7、金屬絲式電極一4、電極二5和保護套筒8依次用酒精和蒸餾水在超聲波清洗機中分別清洗15min，除去其表面附著的雜質，然後按要求將兩個電極平行地穿入雙孔陶瓷柱7，其中雙孔陶瓷柱的直徑為3mm，長度為50mm，如圖3中的(a)所示；在已清洗的平行電極表面用陶瓷刷塗覆一層厚度為0.1～0.3mm的過渡瓷層，放入真空烤瓷爐中在940℃下進行高溫燒結10min，如圖3中的(b)所示；在已燒結過渡瓷層的平行電極表面再次用陶瓷刷塗覆一層基體瓷層，使其直徑為3～4mm，長度為8～10mm，放入真空烤瓷爐中在940℃下進行高溫燒結10min，過渡瓷層和基體瓷層燒結後形成陶瓷基體3，陶瓷基體的直徑略大於保護套筒8的內徑，保護套筒8內徑為3mm，外徑為4mm，長度為50mm，如圖3中的(c)所示；將所述雙孔陶瓷柱7和已嵌入平行電極的陶瓷基體穿入保護套筒8，用耐高溫無機膠i6將其與保護套筒8絕緣密封，如圖3中的(d)所示；將所述陶瓷基體的端面依次用型號為600目、800目、1000目、1200目、1500目、2000目的砂紙打磨，然後在拋光機上依次用型號為w1.5、w1.0、w0.5的金剛石拋光膏拋光，如圖3中的(e)所示；將各元件固定在高真空鍍膜機的載物臺上，用磁控濺射方式在陶瓷基體的拋光表面沉積nisi功能薄膜2，該nisi功能薄膜2厚度為800nm，如圖3中的(f)所示；在高真空鍍膜機中用磁控濺射的方式在已沉積nisi功能薄膜2的表面沉積sio2絕緣保護薄膜1，其中sio2絕緣保護薄膜1厚度為1μm，如圖3中的(g)所示，局部放大圖如圖2(a)所示；將補償導線11的正負極和平行電極的正負極相對應纏結，用耐高溫無機膠ii10將其絕緣密封在保護套管8中，如圖3中的(h)所示，局部放大圖如圖2(b)；最後，在保護套管8上設置錐形螺紋安裝結構9，錐形螺紋採用npt螺紋標準。
上述傳感器適用於柴油機活塞表面瞬態溫度的測量以及激波風洞模型表面溫度的測量，如圖4-圖5所示,其中，圖5中的c表示進行表面溫度測量，d表示進行內部溫度測量。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。