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
技術領域：
本發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，屬于微傳感器技術領域，特別是在對飛行器表面流場不產生影響，不會破壞飛行器本體結構的條件下，準確、快速、實時地測量外表面溫度。
背景技術：
當飛行器高速飛行時，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生劇烈溫升。高溫氣體的熱量通過熱傳導和輻射等方式傳給機體，而使飛行器機體溫度升高，這種現象稱為空氣動力加熱。如果產生的大量氣動熱來不及散發，就會引起機體表面溫度急劇升高，會導致機體材料結構強度減弱、剛度降低，使飛機外形受到破壞，甚至發生災難性的顫振。因此需要一種準確、實時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。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的需要，它們都不能實現對外表面真實溫度的測量。專利申請號為201020208123. 1的國家實用新型專利“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溫度，必須通過復雜的理論校正才能得到近似溫度。而且該傳感器安裝時要求在飛行器機體上額外開孔和采用法蘭結構，會降低飛行器的結構可靠性。此外，專利申請號為02205585. 1的國家發明專利“導彈高速熱沖擊試驗陶瓷彈頭表面瞬態溫度測量裝置”中，將兩種材料熱電偶細絲點焊在一起，用不銹鋼壓片壓在導彈外表面凹坑內，直接暴露于高速氣氣流中，會對導彈表面流場產生影響。為了保證測量精度， 該發明采用不銹鋼彈性支架使弓形熱電偶絲熱結點與彈體表面充分接觸，但是如果應用于飛行過程中，采用不銹鋼彈性支架對弓形熱電偶進行壓合的可靠性很難保證。
發明內容
為了克服現有高溫測量技術在飛行器飛行過程中測量精度不高、影響流場的不足，本發明采用微加工工藝成型包含有多個薄膜熱電偶的溫度測量模塊，將該模塊內嵌于燒蝕層內，其中薄膜熱電偶測溫節點方向沿燒蝕層的法線方向，保證各薄膜熱電偶與燒蝕層外表面的距離不同，而每個薄膜熱電偶分別測量出待測點沿燒蝕層溫度梯度方向上的溫度，最后采用傳熱學燒蝕模型來推導出飛行器外表面溫度。本發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個薄膜熱電偶4，N個薄膜熱電偶4的節點沿氧化鋁基片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；補償導線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，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與機體9裝配。
本發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、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進行高溫氧化處理； 在經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個薄膜熱電偶G)，N個薄膜熱電偶(4)的節點沿氧化鋁基片(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；補償導線(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，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)與機體(9)裝配。
2.一種如權利要求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、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)進行高溫氧化處理； 步驟4 在經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)其中一個電極金屬層，剝離成型薄膜熱電偶⑷一個電極；步驟6 在沉積一個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)另一個電極金屬層，通過剝離成型另一個電極，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 采用熱壓結合技術將補償導線(6)與薄膜熱電偶(4)兩電極連接； 步驟10 在燒蝕層(8)待測溫度點處鉆孔，將溫度測量模塊裝配到孔內，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)與機體(9)裝配。
3.一種使用如權利要求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, 通過標定公式折算出各相鄰熱節點的溫度值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無限厚時的穩定溫度，TS為燒蝕層⑶外表面溫度，ν為燒蝕速率，熱擴散率《 = !只與燒蝕材料的物理性質有關，λ為熱傳導率，P為材料密度，C為材料的比熱；步驟3 將各測量點的溫度折算到飛行器外表面溫度Ts
全文摘要
本發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，屬于微傳感器技術領域。本發明采用微加工工藝成型包含有多個薄膜熱電偶的溫度測量模塊，將該模塊內嵌于燒蝕層內，其中薄膜熱電偶測溫節點方向沿燒蝕層的法線方向，保證各薄膜熱電偶與燒蝕層外表面的距離不同，而每個薄膜熱電偶分別測量出待測點沿燒蝕層溫度梯度方向上的溫度，最后采用傳熱學燒蝕模型來推導出飛行器外表面溫度。有益效果1)采用薄膜熱電偶響應時間很快，可實現實時的溫度測量；2)靠近高溫處的燒蝕層結構完整，對飛行器的熱防護性能影響較小，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 優先權日2011年9月29日
發明者姜澄宇, 郝日鵬, 馬炳和 申請人:西北工業大學