快响应探针式薄膜热电偶的设计及制备技术研究

作     者：李立凯 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋洪川

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：探针型薄膜热电偶 静态标定 Seebeck系数 响应时间 

摘      要：在航空、航天以及武器装备中,存在大量需准确测量瞬态温度的部位,如发动机尾喷管尾焰温度、燃烧室燃气温度、炸药爆炸温度、高速飞行器头锥表面温度等,常用的集成薄膜热电偶和铠装热电偶等测温技术都难以实现这些部位温度的快速准确测量,急需发展结构简单、测温精度高、响应时间短的测温传感器。为此,本论文设计制备了快响应陶瓷探针型薄膜热电偶,主要开展了热电偶的设计、制备、性能表征及应用技术研究,论文的主要工作如下:首先,设计制备了快响应探针式薄膜热电偶的结构,热电偶探针由（?）5 mm×2.5mm的99%氧化铝陶瓷棒、直径为0.8 mm的Ni Cr/Ni Si两根K型热电偶丝和金属导通薄膜构成,其中,陶瓷柱有两个直径为0.8 mm的通孔,两孔中心间距为2.3 mm,Ni Cr丝长度为50 mm,Ni Si丝长度为40 mm,金属导通层的主要作用是实现热电偶丝的电连接。采用高温烧结工艺将热电偶丝和氧化铝陶瓷棒固定成型。采用直流磁控溅射技术在陶瓷探针基体顶面沉积铂、镍铬、镍硅三种薄膜作为金属导通层,制备出热电偶样品。其次,采用静态标定方法对薄膜热电偶样品的热电性能进行了标定,结果表明,当Pt金属导通层薄膜厚度从0.5μm增加至2μm时,在200～850℃温度范围内,样品的输出热电势与温度梯度之间呈良好的线性关系,平均塞贝克系数为40μV/℃左右,与标准k型热电偶相当。厚度均为1μm的铂、镍铬和镍硅三种金属导通层热电偶样品的平均塞贝克系数均为41.59μV/℃左右,与标准k型热电偶相当,表明金属导通层的材质对热电偶的热电性能没有影响。但是,由于金属铂导通层的优异高温抗氧化能力,由Pt作为导通层的热电偶样品的寿命、测温上限和稳定性均高于由镍铬和镍硅作为金属导通层的样品,在200～850℃温度范围内,其寿命大于40 h,测温上限达1100℃,测温误差为0.54%。三种金属导通层探针式薄膜热电偶样品在-80℃～80℃的低温环境均具有线性的热电输出,但测温误差略有增大,并且不同升温速率的测试表明,铂金属导通层探针式薄膜热电偶在不同升温速率下热电性能依旧良好。第三,采用短脉冲激光法对探针式薄膜热电偶的响应时间进行了标定,结果表明,金属导通层厚度为1μm的铂、镍铬、镍硅探针式薄膜热电偶的响应时间分别为6.60μs、8.01μs、8.20μs,其原因是三种金属薄膜的比热容不同,比热容越小,升温越快,响应时间越小;金属导通层薄膜厚度分别为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm的热电偶样品的响应时间分别为2.95μs、6.86μs、11.64μs、17.33μs,表明随着导通层厚度的逐渐增大,导通层的热容逐渐增大,样品的响应时间相应逐渐增大。最后,将制备的快响应陶瓷基探针式薄膜热电偶安装在某型号弹头表面并进行了测温试验考核,成功获取了弹头表面瞬态温度数据,弹头表面瞬态温升持续时间27.7 ms,经冷端（20℃）补偿后得到峰值温度为469.72℃,表明本论文研制的快响应陶瓷基探针式薄膜热电偶能应用于弹头表面瞬态温度的测量。