高温陶瓷薄膜热流传感器动态响应有限元分析

航空、航天等领域的高速发展对精密热流测量技术提出了更严苛的挑战。ITO/In_(2)O_(3)陶瓷材料相比贵金属材料有着更高的塞贝克系数,并拥有低密度和优异的高温力学性能。基于有限元仿真方法,建立了ITO/In_(2)O_(3)热电堆型薄膜热流传感器热电学仿真模型,设计了2种薄膜热流传感器结构,综合分析了热电堆在不同的热阻层分布、热阻层厚度和热流密度下的传热性能和输出动态响应变化,提出了ITO/In_(2)O_(3)薄膜热流传感器的优化设计方案。

高温MEMS薄膜热流传感器研究进展

对可用于高温环境的MEMS薄膜热流传感器(TFHFS)的测量原理、结构设计、材料成分以及制造技术进行了简单阐述,分别介绍了半无限几何、热阻式、热电堆和横向热电效应型TFHFS的结构特点和应用优势。归纳讨论了国内外科研团队研制的各种TFHFS的量热法、传感方式、结构、材料以及测量模式,按照热敏材料分为金属和合金型、陶瓷和新型聚合物衍生陶瓷型两类,重点关注TFHFS的高温稳定性、响应时间、灵敏度等性能。最后,总结了目前TFHFS面临的技术难题和发展趋势,可为应用于更严酷环境的高温薄膜热流测量技术提供参考。

曲面结构上薄膜热流传感器的动态校准研究

搭建了以高功率半导体激光器作为热流源的动态测试系统,响应时间为3.5μs,热流上限为50 MW/m2,可以产生阶跃、脉冲、变频正弦等动态激励信号。分别使用脉冲激励法和变频正弦激励法对传感器进行时域和频域的动态校准。时域上以脉冲信号作为激励信号,使用负阶跃测试法测量时间常数,用响应速率比表征热流传感器的动态响应特性;频域上以变频正弦信号作为激励信号,通过快速傅里叶变换绘制出频率特性曲线,得到传感器的频率响应为18.4 Hz。并对两种动态校准结果进行了分析。

基于脉冲加热法的薄膜热流传感器热物性参数测量技术研究

在激波风洞测热试验中,高精度的薄膜热流传感器热物性参数对于提高热流测量精度十分重要。利用积分球能收集反射光能、其反射光具有高均匀性的特性,提出了基于脉冲加热装置测量薄膜热流传感器表面、直接标定热物性参数的方法。基于该方法,搭建了用于测量薄膜热流传感器基底材料热物性参数的脉冲加热装置,并详细介绍了测量装置的系统组成和工作原理。该脉冲加热装置能够较好地模拟脉冲型风洞中薄膜热流传感器被加热的过程,可以精确标定热流值和薄膜热流传感器基底材料的热物性参数。研究结果表明:研制的脉冲加热测量装置具有操作便捷、试样制备简单和标定精度高等优点,其加热方式为瞬态加热,能较好地模拟传感器在脉冲型风洞中的使用环境,可以提高脉冲风洞中热流测量结果的精度。

基于热电堆的新型高温薄膜热流传感器的研制

精确的热流测量对航空发动机设计至关重要,实时监测和获取发动机涡轮叶片表面精确的热流分布可以为航空发动机热端部件设计提供依据,也可以进行状态监测和故障诊断。薄膜热流传感器具有体积小、响应速度快、对工作环境的流动干扰小等优点。然而,目前能够应用于高温高热流环境中测量的薄膜热流传感器在灵敏度方面仍然存在较大的局限性。设计和制造了基于铂铑热电堆的新型高温薄膜热流传感器。该传感器由Pt/Pt-13Rh薄膜热电堆、底层SiO_(2)/Al_(2)O_(3)热阻层、顶层Al_(2)O_(3)保护层组成,底层SiO_(2)/Al_(2)O_(3)热阻层位于Al_(2)O_(3)陶瓷基底和热电堆之间。传感器分别在0~110 kW/m^(2)的热流和1 000℃的温度下进行了测试。测试结果显示,传感器的输出与施加的热流表现出良好的线性关系,灵敏度为8.04×10^(-6)V/(kW/m^(2)),实验数据与仿真结果相近。具有Al_(2)O_(3)保护层的传感器在1 000℃中保温3 h后电阻、灵敏度及响应特性基本上不受影响。设计的新型高温薄膜热流传感器具有较高的灵敏度和可靠性,将为高温环境中的热流测量提供一种新方法。

大量程薄膜热流传感器敏感元件设计

设计一种新型瞬态大量程薄膜热流传感器敏感元件,可用于超高速飞行器气动热流的测量,敏感元件的测量量程高达5MW/m2,理论响应时间达到4ms。从测量原理、仿真分析和试验验证三个方面对敏感元件进行研究。综合仿真和试验结果,敏感元件性能良好,能够满足飞行器气动热流测量的需求。

一种薄膜热电堆热流传感器灵敏度系数的实验研究

为应对长时间、高频响、高热流密度条件下的热流密度测试要求,通过热沉体设计发展了一种新型热阻式薄膜热电堆热流传感器,并利用对比标定的方法、采用辐射标定方式确定各个此类型传感器的灵敏度系数。标定实验数据表明:该类型热流传感器的灵敏度系数与感应面温度相关,且在高于一定温度之上校正关系式不同于以往的线性关系而呈现出二次非线性关系。通过分析可知:呈现出二次非线性校正关系式的原因主要是依赖于温度的热阻层导热系数以及薄膜热电偶Seebeck系数。实验数据以及分析结果为该类型热流传感器的标定和优化设计提供了参考,同时确保了该类型热流传感器在使用过程中获得准确、可靠的热流测试数据。

薄膜热电堆热流传感器频率响应动态特性研究

为了快速、准确地反映航空、航天部件瞬变热流的变化,需要热流传感器具有快速动态频率响应特性。传统测试方法的热流源频率调制方式粗略,热流上限低,无法满足未来高速热流传感器的测试要求。辐射热流测试系统以高功率半导体激光器作为热流源,通过电压控制模块调制激光器输出频率,系统响应时间可达微秒(μs)级,可以产生50 MW/m^(2)的热流信号。通过Z-t变换求得传感器脉冲响应的时间常数τ,获得频率响应理论值723 Hz;通过快速傅里叶变换(FFT)求得无量纲频率响应曲线,测得频率响应约为510 Hz,完成薄膜热电堆热流传感器动态频率响应测试,并分析传感器动态性能和综合评价测试平台。