專利名稱：高速飛行器外表面高溫在線測量裝置及其制備、測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種高速飛行器外表面高溫在線測量裝置及測量方法，屬于微傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是在對飛行器表面流場不產(chǎn)生影響，不會破壞飛行器本體結(jié)構(gòu)的條件下，準(zhǔn)確、快速、實(shí)時(shí)地測量外表面溫度。
背景技術(shù)：
當(dāng)飛行器高速飛行時(shí)，其周圍的空氣由于受到摩擦、壓力改變和速度阻滯的影響會產(chǎn)生劇烈溫升。高溫氣體的熱量通過熱傳導(dǎo)和輻射等方式傳給機(jī)體，而使飛行器機(jī)體溫度升高，這種現(xiàn)象稱為空氣動力加熱。如果產(chǎn)生的大量氣動熱來不及散發(fā)，就會引起機(jī)體表面溫度急劇升高，會導(dǎo)致機(jī)體材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱、剛度降低，使飛機(jī)外形受到破壞，甚至發(fā)生災(zāi)難性的顫振。因此需要一種準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測量飛行器外表面溫度的方法，為飛行器飛行過程中提供可靠的熱安全防護(hù)。常用的飛行器表面高溫在線測量方法多采用嵌入式熱電偶，包括鎧裝式和熱電偶絲兩種方式，但是由于測溫上限和熱防護(hù)的需要，它們都不能實(shí)現(xiàn)對外表面真實(shí)溫度的測量。專利申請?zhí)枮?01020208123. 1的國家實(shí)用新型專利“高速飛行器外表面溫度測量裝置”采用嵌入式鎧裝熱電偶來測溫，該方法在安裝時(shí)熱電偶絲與飛行器外表有一定的距離， 這樣測量所得到的溫度并非是飛行器外表面真實(shí)溫度，必須通過復(fù)雜的理論校正才能得到近似溫度。而且該傳感器安裝時(shí)要求在飛行器機(jī)體上額外開孔和采用法蘭結(jié)構(gòu)，會降低飛行器的結(jié)構(gòu)可靠性。此外，專利申請?zhí)枮?2205585. 1的國家發(fā)明專利“導(dǎo)彈高速熱沖擊試驗(yàn)陶瓷彈頭表面瞬態(tài)溫度測量裝置”中，將兩種材料熱電偶細(xì)絲點(diǎn)焊在一起，用不銹鋼壓片壓在導(dǎo)彈外表面凹坑內(nèi)，直接暴露于高速氣氣流中，會對導(dǎo)彈表面流場產(chǎn)生影響。為了保證測量精度， 該發(fā)明采用不銹鋼彈性支架使弓形熱電偶絲熱結(jié)點(diǎn)與彈體表面充分接觸，但是如果應(yīng)用于飛行過程中，采用不銹鋼彈性支架對弓形熱電偶進(jìn)行壓合的可靠性很難保證。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有高溫測量技術(shù)在飛行器飛行過程中測量精度不高、影響流場的不足，本發(fā)明采用微加工工藝成型包含有多個(gè)薄膜熱電偶的溫度測量模塊，將該模塊內(nèi)嵌于燒蝕層內(nèi)，其中薄膜熱電偶測溫節(jié)點(diǎn)方向沿?zé)g層的法線方向，保證各薄膜熱電偶與燒蝕層外表面的距離不同，而每個(gè)薄膜熱電偶分別測量出待測點(diǎn)沿?zé)g層溫度梯度方向上的溫度，最后采用傳熱學(xué)燒蝕模型來推導(dǎo)出飛行器外表面溫度。本發(fā)明提出的高速飛行器外表面高溫測量裝置，包括溫度測量模塊，所述溫度測量模塊的基底為氧化鋁基片1，其長度小于燒蝕層厚度h ；其上依次沉積有鋁金屬層2和氧化鋁層3 ；在氧化鋁層3上沉積有N個(gè)薄膜熱電偶4，N個(gè)薄膜熱電偶4的節(jié)點(diǎn)沿氧化鋁基片1長度方向等間距分布，其間距為Ah = h/(N+2. 5)，薄膜熱電偶4上沉積有氧化鋁電絕緣層5，該氧化鋁電絕緣層5將所述薄膜熱電偶4完全包覆；補(bǔ)償導(dǎo)線6將各薄膜熱電偶4兩電極末端信號引出；燒蝕層8上待測溫點(diǎn)位置處鉆不貫通孔，所述孔高度不小于溫度測量模塊長度；將上述溫度測量模塊裝配到孔內(nèi)，且孔的徑向與所述溫度測量模塊長度方向一致；用耐高溫膠7填充孔與溫度測量模塊的縫隙；將安裝好溫度測量模塊的燒蝕層8與機(jī)體9裝配。
本發(fā)明提出的高速飛行器外表面高溫測量裝置的制備方法，包括如下步驟
步驟1 步驟2 步驟3 步驟4
將氧化鋁基片1清洗并烘干，以去除雜質(zhì)、油污、水汽等污染物； 在氧化鋁基片1上沉積一鋁金屬層2 ； 將沉積鋁金屬層2后的氧化鋁基片1進(jìn)行高溫氧化處理； 在經(jīng)過高溫氧化后生成氧化鋁層3的氧化鋁基片1上旋涂光刻膠，曝光并
權(quán)利要求
1.一種高速飛行器外表面高溫測量裝置，其特征在于包括溫度測量模塊，所述溫度測量模塊的基底為氧化鋁基片(1)，其長度小于燒蝕層厚度h ；其上依次沉積有鋁金屬層 ⑵和氧化鋁層⑶；在氧化鋁層⑶上沉積有N個(gè)薄膜熱電偶G)，N個(gè)薄膜熱電偶(4)的節(jié)點(diǎn)沿氧化鋁基片(1)長度方向等間距分布，其間距為ΔΙι = ν(Ν+2.5)，薄膜熱電偶(4) 上沉積有氧化鋁電絕緣層(5)，該氧化鋁電絕緣層(5)將所述薄膜熱電偶⑷完全包覆；補(bǔ)償導(dǎo)線(6)將各薄膜熱電偶(4)兩電極末端信號引出；燒蝕層(8)上待測溫點(diǎn)位置處鉆不貫通孔，所述孔高度不小于溫度測量模塊長度；將上述溫度測量模塊裝配到孔內(nèi)，且孔的徑向與所述溫度測量模塊長度方向一致；用耐高溫膠(7)填充孔與溫度測量模塊的縫隙；將安裝好溫度測量模塊的燒蝕層(8)與機(jī)體(9)裝配。
2.一種如權(quán)利要求1所述的高速飛行器外表面高溫測量裝置的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1 將氧化鋁基片(1)清洗并烘干，以去除雜質(zhì)、油污、水汽等污染物； 步驟2 在氧化鋁基片(1)上沉積一鋁金屬層O)； 步驟3 將沉積鋁金屬層( 后的氧化鋁基片(1)進(jìn)行高溫氧化處理； 步驟4 在經(jīng)過高溫氧化后生成氧化鋁層C3)的氧化鋁基片(1)上旋涂光刻膠，曝光并顯影；步驟5 顯影后在氧化鋁基片(1)上沉積薄膜熱電偶(4)其中一個(gè)電極金屬層，剝離成型薄膜熱電偶⑷一個(gè)電極；步驟6 在沉積一個(gè)電極后的氧化鋁基片(1)上再次旋涂光刻膠，曝光并顯影； 步驟7:再次沉積薄膜熱電偶(4)另一個(gè)電極金屬層，通過剝離成型另一個(gè)電極，形成薄膜熱電偶⑷；步驟8 在薄膜熱電偶(4)表面上沉積氧化鋁電絕緣層(5)； 步驟9 采用熱壓結(jié)合技術(shù)將補(bǔ)償導(dǎo)線(6)與薄膜熱電偶(4)兩電極連接； 步驟10 在燒蝕層(8)待測溫度點(diǎn)處鉆孔，將溫度測量模塊裝配到孔內(nèi)，且孔的徑向與所述溫度測量模塊長度方向一致；用耐高溫膠(7)將溫度測量模塊與孔的縫隙填充，接著把表面打磨平整后將燒蝕層(8)與機(jī)體(9)裝配。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述的高速飛行器外表面高溫測量裝置的測量方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1 由燒蝕層⑶向機(jī)體(9)沿厚度方向依次編號薄膜熱電偶⑷為1，2，…，N， 其距離燒蝕層外表面的距離為Iii = h0+(i-l) X Ah-v · t ；讀取各相鄰熱電偶的電壓值Ui, 通過標(biāo)定公式折算出各相鄰熱節(jié)點(diǎn)的溫度值Ti, i = 1,2,…，N;T-Tn ,ν ,、步驟2 :由燒蝕過程的傳熱分析有^"^" = ^ (-*/0，土 = 1,2,…，N，其中Ttl為燒蝕1S-1Oa層⑶無限厚時(shí)的穩(wěn)定溫度，TS為燒蝕層⑶外表面溫度，ν為燒蝕速率，熱擴(kuò)散率《 = !只與燒蝕材料的物理性質(zhì)有關(guān)，λ為熱傳導(dǎo)率，P為材料密度，C為材料的比熱；步驟3 將各測量點(diǎn)的溫度折算到飛行器外表面溫度Ts
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速飛行器外表面高溫在線測量裝置及其制備和測量方法，屬于微傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用微加工工藝成型包含有多個(gè)薄膜熱電偶的溫度測量模塊，將該模塊內(nèi)嵌于燒蝕層內(nèi)，其中薄膜熱電偶測溫節(jié)點(diǎn)方向沿?zé)g層的法線方向，保證各薄膜熱電偶與燒蝕層外表面的距離不同，而每個(gè)薄膜熱電偶分別測量出待測點(diǎn)沿?zé)g層溫度梯度方向上的溫度，最后采用傳熱學(xué)燒蝕模型來推導(dǎo)出飛行器外表面溫度。有益效果1)采用薄膜熱電偶響應(yīng)時(shí)間很快，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的溫度測量；2)靠近高溫處的燒蝕層結(jié)構(gòu)完整，對飛行器的熱防護(hù)性能影響較小，此外對飛行器周圍流場幾乎沒有影響；3)工藝過程中只需一次沉積。
文檔編號G01K7/02GK102353469SQ20111029120
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者姜澄宇, 郝日鵬, 馬炳和 申請人:西北工業(yè)大學(xué)