崔云先　趙家慧　劉　友　丁萬昱　盛曉幸　宮　刻

1.大連交通大學(xué)遼寧省高等學(xué)校數(shù)字化設(shè)計與制造重點實驗室,大連,1160282.哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱,150001

內(nèi)燃機活塞表面瞬態(tài)溫度傳感器的研制

崔云先1趙家慧1劉友2丁萬昱1盛曉幸1宮刻1

1.大連交通大學(xué)遼寧省高等學(xué)校數(shù)字化設(shè)計與制造重點實驗室,大連,1160282.哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱,150001

針對內(nèi)燃機活塞表面溫度變化迅速的特點,研制了一種瞬態(tài)溫度傳感器用于測量活塞表面溫度。采用直流脈沖磁控濺射的方法將NiCr薄膜直接濺射沉積在高溫?zé)Y(jié)后嵌有NiCr、NiSi絲的陶瓷元件端面,NiCr薄膜外側(cè)濺射Si3N4保護膜。傳感器外壁選用帶螺紋的304不銹鋼作為鎧裝套筒。采用自行研制的薄膜熱電偶靜動態(tài)標定系統(tǒng)對所研制的瞬態(tài)溫度傳感器進行標定,結(jié)果表明:所研制的傳感器在50～400 ℃范圍內(nèi)具有良好的線性和熱穩(wěn)定性，其塞貝克系數(shù)在39～41 μV/K之間,非線性誤差小于0.34%,重復(fù)性好;熱接點薄膜厚度為355 nm時,傳感器的響應(yīng)時間為41.7 μs,且響應(yīng)時間隨著薄膜厚度的增大而增加;該瞬態(tài)溫度傳感器可以滿足曲軸轉(zhuǎn)速為1800 r/min的內(nèi)燃機活塞表面瞬態(tài)溫度測試的需求。

內(nèi)燃機活塞;瞬態(tài)溫度;塞貝克系數(shù);時間常數(shù)

0　引言

活塞是發(fā)動機的“心臟”，它在高溫、高壓、高速、潤滑不良的氣缸中往復(fù)運動，承受著交變的機械負荷和熱負荷，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一?；钊苯咏佑|高溫燃氣，受熱嚴重，而散熱條件又很差,其頂部表面工作溫度高達360℃,高溫使活塞受熱膨脹而在內(nèi)部產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力,使活塞材料硬度和強度降低。熱應(yīng)力和熱變形將影響活塞與缸套的正常潤滑,活塞與氣缸產(chǎn)生摩擦發(fā)熱使冷卻潤滑油劣化,導(dǎo)致活塞環(huán)發(fā)生黏著和燒結(jié)、活塞與氣缸咬合以及拉缸等現(xiàn)象[1]。隨著現(xiàn)代內(nèi)燃機強化程度的不斷提高,活塞以及氣缸套的溫度和溫度梯度大幅度提高,從而產(chǎn)生較大的熱變形和熱應(yīng)力。而活塞的熱應(yīng)力首先取決于活塞溫度和溫度梯度的分布，因此對活塞表面溫度和溫度梯度的準確測量尤為重要。目前,要實際測試活塞在各個工況下的溫度是比較困難的。常規(guī)測試方法分為易熔合金法[2]、硬度塞測溫法[3]、接觸式熱電偶測溫法[4]等。非常規(guī)測溫方法分為紅外遙感測試和存儲測試技術(shù)等[5]。硬度塞法測量活塞溫度，代價小,安裝方便,沒有引線傳出,比熱電偶測量穩(wěn)定,但是一次只能測量一個工況下的平均活塞溫度,沒有熱電偶測量法精度高。

隨著內(nèi)燃機速度和功率的不斷增大,在大功率柴油機設(shè)計過程中，為了保證柴油機更高的熱效率和可靠性，目前急需一種能夠測量內(nèi)燃機活塞表面瞬態(tài)溫度的傳感器[6]。傳統(tǒng)測量內(nèi)燃機活塞溫度的方法是將測溫敏感元件埋置于待測部件內(nèi)部[7],這不僅對活塞改動大，破壞待測部件結(jié)構(gòu)，而且干擾溫度測試環(huán)境，使測量結(jié)果精確度低、誤差大,因此無法滿足內(nèi)燃機活塞表面瞬態(tài)溫度測試的需要。薄膜熱電偶熱接點厚度為微米級,與普通塊體材料熱電偶相比具有熱容量小、響應(yīng)迅速等優(yōu)點[8-9]，因此能夠準確地測量瞬態(tài)溫度的變化,是一種先進的實時測試瞬態(tài)溫度的傳感器，特別是在槍炮膛內(nèi)壁、鍛模表面等瞬態(tài)溫度測試中獲得了廣泛的應(yīng)用[10]。本文針對大功率柴油機活塞表面的瞬態(tài)溫度測試要求,研制了一種薄膜瞬態(tài)溫度傳感器。

1　薄膜瞬態(tài)溫度傳感器的研制

為了更準確、迅速、便捷地測量內(nèi)燃機活塞表面的瞬態(tài)溫度，本文研制了一種薄膜瞬態(tài)溫度傳感器。與普通薄膜熱電偶相比,該單層薄膜熱電偶傳感器不但具備熱容量小、響應(yīng)迅速快等優(yōu)點,還具有結(jié)構(gòu)尺寸小,對活塞表面溫度場干擾小、引線方便等特點。所研制的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　瞬態(tài)溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器外層選用不銹鋼作為保護套管，由測溫端外徑為5 mm、壁厚為0.5 mm的盲管以及引線端帶螺紋的不銹鋼管組成,兩部分采用焊接方式連接;直徑為0.35 mm的NiCr/NiSi絲與陶瓷材料高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷-絲元件(下文簡稱陶絲元件),陶絲元件與保護套管之間填充陶瓷粉體材料,起到絕緣和固定的作用。相比傳統(tǒng)的熱電偶測量活塞溫度的方法，本文研制的傳感器省略了補償導(dǎo)線引出時絕緣黏結(jié)劑的填充,避免了補償導(dǎo)線采用耐高溫膠黏結(jié)風(fēng)干后易脫落、電阻變化大等問題；嵌入NiCr/NiSi絲的陶絲元件端面通過金相研磨、拋光后采用直流脈沖磁控濺射的方法制備NiCr薄膜。NiSi絲與NiCr薄膜接觸處形成熱接點；NiCr薄膜外層通過相同濺射方式制備Si3N4保護膜。

1.1陶絲元件制備

鎳鉻-鎳硅(NiCr/NiSi)熱電偶合金是一組應(yīng)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,且具有熱電特性線性度好、靈敏度高等特點。根據(jù)內(nèi)燃機活塞表面溫度測試需要,本文選用了NiCr/NiSi作為熱電極材料。采用熱電偶測量溫度時,除熱電偶的測量端以外，兩個熱電極之間、連接導(dǎo)線之間以及熱電偶和基體間均要求具有良好的絕緣性能，否則會由于熱電勢損耗而產(chǎn)生測量誤差，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致測量無法進行。

在進行陶絲元件制備之前,將NiCr/NiSi絲按照尺寸要求固定在導(dǎo)線支架上,置于超聲波清洗機內(nèi)分別用丙酮、乙醇和去離子水多次清洗,烘干后在NiCr/NiSi絲表層分別涂敷陶瓷粉體,然后放入真空燒結(jié)爐中在920 ℃下進行90 s的高溫?zé)Y(jié)。對燒結(jié)好的包敷有NiCr/NiSi絲的陶瓷柱圓柱表面及端面進行加工處理。將待鍍膜端面按照薄膜制備要求進行金相研磨和拋光、清洗。用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡(SEM)觀測NiCr/NiSi絲與陶瓷層的界面結(jié)合，SEM圖見圖2。由圖2可發(fā)現(xiàn),陶瓷結(jié)構(gòu)致密均勻,表面光滑,與NiCr/NiSi絲結(jié)合緊密且連續(xù)、均勻。

圖2　陶瓷涂層與NiCr/NiSi絲界面結(jié)合SEM圖

1.2NiCr薄膜的制備

當(dāng)器件的尺度在毫米甚至微米量級時,會出現(xiàn)很多與常規(guī)尺度下不同的物理現(xiàn)象。由于薄膜材料的特殊性，制備薄膜時必須滿足：①薄膜具有連續(xù)性，否則不能構(gòu)成熱電偶回路；②薄膜表面光滑平整，使電子與薄膜表面發(fā)生碰撞時盡可能多的是鏡面反射，從而保證薄膜電阻率的穩(wěn)定性，提高傳感器的靈敏度；③薄膜厚度均勻，如果膜厚不均勻，電阻會發(fā)生變化 。

1.2.1制備NiCr薄膜的工裝設(shè)計

NiCr薄膜制備工裝主要由夾緊片和陶瓷基固定板兩部分組成。為了保證測溫傳感器性能的同一性、互換性，采用一次濺射、制備多個傳感器的方式。本文所研制的夾緊片采用電火花加工方法在薄板上加工直徑為3 mm的28個圓孔。工裝示意見圖3。取同樣尺寸的不銹鋼板,在夾緊片結(jié)構(gòu)的對應(yīng)處加工大徑為3.5 mm、深6 mm和小徑為2 mm、深4 mm的階梯孔作為固定板,用于直流脈沖磁控濺射時與夾緊片配合安裝固定陶絲元件。

圖3　制備NiCr薄膜的工裝結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2NiCr薄膜的沉積工藝

將燒結(jié)后的陶絲元件放入固定板,安裝夾緊片及靶材,將裸露在真空室內(nèi)的補償導(dǎo)線部分用鋁箔紙包敷住。關(guān)閉真空室，抽真空,充入氬氣于真空室中，濺射清洗2 min,打開靶材擋板進行NiCr薄膜的濺射，濺射沉積時間設(shè)定為10 min。達到濺射時間時關(guān)閉電源,隨爐冷卻，打開真空室，整體取出工裝。制備NiCr薄膜的工藝參數(shù)如表1所示。

表1　NiCr薄膜的工藝參數(shù)

本文選用不同的射頻源電壓,比較相同制備工藝參數(shù)條件下的NiCr薄膜,薄膜厚度如表2所示。

表2　不同射頻源電壓下NiCr薄膜厚度測試結(jié)果

提高薄膜熱電偶響應(yīng)速度的方法之一是在保證使用壽命的前提下盡量減小鍍膜厚度。通過比較,本文選擇射頻源電壓150 V為熱電偶鍍膜制備電壓值。

1.2.3NiCr薄膜的表征與分析

采用SEM和XRD分別對NiCr薄膜的表面形貌和能譜進行表征[11]。圖4為NiCr熱電極薄膜表面SEM圖,可以看出,NiCr薄膜表面光滑平整且具有致密均勻、連續(xù)性好等特點。

圖4　NiCr薄膜的SEM圖

圖5為制備的NiCr薄膜的XRD能譜圖[12],從XRD譜中可以看到,薄膜成分主要由Ni-Cr構(gòu)成。Ni-Cr原子比接近9∶1,與靶材成分Ni-Cr原子比90∶10相近。

圖5　NiCr薄膜XRD能譜圖

1.3Si3N4保護膜的制備

Si3N4薄膜具有硬度高、抗腐蝕、耐高溫、導(dǎo)熱性與絕緣性能好、光電性能優(yōu)良等優(yōu)點，因此，Si3N4薄膜作為器件保護膜可有效防止日常酸、堿的腐蝕,減少后道工序帶來的表面機械損傷,提高傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。本文采用直流脈沖磁控濺射加射頻偏壓的方法制備Si3N4薄膜,工藝參數(shù)如表3所示。

表3　Si3N4保護膜的工藝參數(shù)

2　薄膜瞬態(tài)溫度傳感器的靜動態(tài)性能標定

薄膜熱電偶是一種非標準的測溫器件,特別是合金薄膜熱電偶的熱電特性隨著許多因素的變化而變化,各樣品之間特性的重復(fù)性差，在使用之前必須對它的熱電特性進行校驗。

2.1薄膜瞬態(tài)溫度傳感器的性能標定

所研制的靜態(tài)標定系統(tǒng)主要由三部分組成:熱源裝置、信號調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過LabVIEW軟件完成靜態(tài)標定實驗的軟件設(shè)計。標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖6。

圖6　薄膜熱電偶自動標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

NiCr/NiSi薄膜熱電偶標定的熱源裝置采用可以連續(xù)準確提供50～660 ℃工作溫度的FLUKE 9144干式檢定爐,由于本文所研究的內(nèi)燃機鑄鋁合金活塞的工作溫度在350 ℃以下，因此,傳感器的溫度標定范圍選擇為50～400 ℃。將被標定的測溫元件置于干式檢定爐中,其冷端置于0 ℃的冰點器中。通過干式檢定爐的溫控系統(tǒng)控制標定過程升溫速率和降溫速率。通過LabVIEW編寫的軟件自動記錄完整的溫度標定過程。

實驗的標定范圍從50 ℃開始,每隔10 ℃標定一個點,為了便于數(shù)據(jù)處理,每隔50 ℃選取一個測試點,表4所示為NiCr薄膜在射頻源電壓為150 V時制備出的傳感器的輸出熱電勢E與熱端溫度θt之間的關(guān)系。

表4　薄膜瞬態(tài)溫度傳感器輸出熱電勢E與熱端溫度θt之間的關(guān)系

圖7是采用最小二乘法對測量的數(shù)據(jù)點進行擬合的標定曲線,熱電偶輸出熱電勢E與熱電偶熱端溫度θt之間的關(guān)系式為E=0.0409θ-0.1189,所研制的傳感器靈敏度S為40.9 μV/K。從圖7中可以看到,本文研制的傳感器線性度較好,在整個測溫范圍內(nèi),非線性擬合誤差為0.28%。

圖7　薄膜瞬態(tài)溫度傳感器靜態(tài)標定曲線

本文針對相同制備工藝參數(shù)條件下研制的5個薄膜瞬態(tài)溫度傳感器,通過實驗測試,得到靈敏度和線性度的數(shù)據(jù),如表5所示,賽貝克系數(shù)在39～41 μV/K之間，非線性誤差在0.28%～0.34%之間，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、線性和重復(fù)性。

表5　薄膜瞬態(tài)溫度傳感器的賽貝克系數(shù)、非線性誤差

2.2薄膜瞬態(tài)溫度傳感器的動態(tài)性能標定

時間常數(shù)τ常常被用來表示一階傳感器的動態(tài)特性。時間常數(shù)的大小與薄膜傳感器熱接點的厚度、薄膜的材料以及基底材料有關(guān)。時間常數(shù)τ越小,測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)越快，測量誤差越小。

傳統(tǒng)的溫度動態(tài)標定方法很難產(chǎn)生與熱電偶動態(tài)時間常數(shù)相適應(yīng)的溫度階躍信號前沿或脈沖信號的持續(xù)時間，而且無法消除基底熱容對薄膜熱電偶時間常數(shù)的影響。為了解決這些問題，本文采用短脈沖激光法[13]對所制備的薄膜溫度傳感器的動態(tài)特性進行了測試。

Ultra-CFR短脈沖激光器的脈沖寬度為8 ns,激光重復(fù)頻率為1～20 Hz可選調(diào),激光能量為0.1～0.5 mJ。新型瞬態(tài)溫度傳感器的熱接點厚度只有納米級,承受熱沖擊的能力遠不如常規(guī)熱電偶,測試時,如果激光的能量太大，重復(fù)頻率太高,傳感器敏感薄膜就會損壞。為了使溫升曲線比較明顯，應(yīng)盡量選取高的能量。通過實驗對比，選取激光能量為0.2 mJ，設(shè)定激光脈沖重復(fù)頻率為1 Hz,計算機采樣頻率設(shè)定為100 kHz。熱電偶的動態(tài)特性屬于一階慣性環(huán)節(jié)，短脈沖激光器的脈沖激勵信號的脈沖寬度為8 ns,可作為一階系統(tǒng)的脈沖輸入。通過實驗,分別對厚度為446 nm、408.2 nm和355 nm的NiCr/NiSi薄膜熱電偶進行了測試,獲得的時間常數(shù)分別為47 μs、44 μs、41.7 μs。最終得出,薄膜瞬態(tài)溫度傳感器的NiCr薄膜厚度為355 nm條件下的時間常數(shù)最小，為41.7 μs,可以滿足大功率高速柴油機活塞表面瞬態(tài)溫度響應(yīng)時間的要求。圖8所示為薄膜瞬態(tài)溫度傳感器的響應(yīng)。

圖8　薄膜瞬態(tài)溫度傳感器的響應(yīng)曲線圖

3　結(jié)論

(1)研制了一種用于測量內(nèi)燃機活塞表面瞬態(tài)溫度的薄膜傳感器。在研制的陶絲元件一端制備NiCr薄膜，與NiSi絲形成熱接點，將NiCr/NiSi絲延伸出陶絲元件的部分作為補償導(dǎo)線，解決了薄膜熱電偶補償導(dǎo)線連接易脫落的問題。不銹鋼保護套筒的螺紋設(shè)計給傳感器的制備、安裝和更換帶來了便利。

(2)將嵌入NiCr/NiSi絲的陶瓷材料在920℃的真空烤瓷爐內(nèi)燒結(jié)90 s,燒結(jié)后的陶瓷柱表面光滑，與NiCr/NiSi絲連接緊密且均勻連續(xù),可起到很好的絕緣作用。

(3)在脈沖源功率350 W、射頻源電壓150 V、氬氣流量20 mL/min、工作壓力0.7 Pa的直流脈沖磁控濺射工藝條件下濺射NiCr薄膜10 min,薄膜厚度為355 nm,所制備的薄膜均勻致密、連續(xù)性好,所研制的薄膜瞬態(tài)溫度傳感器塞貝克系數(shù)可達到40.9 μV/K,比普通熱電偶略高，非線性誤差小于0.34%，可達0.28%。

(4)采用短脈沖激光法對熱電偶薄膜厚度分別為446 nm、408.2 nm和355 nm的NiCr/NiSi進行時間常數(shù)的測試,三組薄膜熱電偶時間常數(shù)分別為47 μs、44 μs、41.7 μs,可見,隨著薄膜厚度的增大,響應(yīng)時間也隨之增大。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Development of Transient Surface Temperature Sensor on Internal Combustion Piston

Cui Yunxian1Zhao Jiahui1Liu You2Ding Wanyu1Sheng Xiaoxing1Gong Ke1

1.Higher Institutions Key Laboratory of Digital Design and Manufacture in Liaoning Province,Dalian Jiaotong University,Dalian,Liaoning,116028 2.Harbin Engineering University,Harbin,150001

According to the internal combustion engine piston surface temperature rapidly changing situations,this paper developed a transient temperature sensor for measuring the piston surface temperature.By using a DC pulse magnetron sputtering method sputtering deposited NiCr film directly on end face of ceramic element which was sintered in the high-temperature and embedded with NiCr,NiSi wire, sputtering Si3N4protective film on the sensor’s outside of NiCr film.The sensors’ outer wall used threaded 304 stainless steel as armored sleeve.To calibrate the designed transient temperature sensor by using self-developed thin-film thermocouple static and dynamic calibration system,the results show:that the developed sensor has good linearity and thermal stability in the range of 50～400 ℃.Its Seebeck coefficient is between 39 μV/K to 41 μV / K,the nonlinear error is less than 0.34%,good repeatability.The thickness of hot junction thin film is as 355 nm,the sensor’s response time is as 41.7 μs,and the response time increases with the film thickness increases.The transient temperature sensor can meet the crankshaft speed to 1800 r/min of an internal combustion engine piston surface transient temperature testing requirements.

internal combustion piston;transient temperature;Seeback coefficient;time constant

2013-11-18

國家自然科學(xué)基金資助項目(51472039)；遼寧省科技計劃資助項目(2012220007)

TH811DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.09.002

崔云先,女,1963年生。大連交通大學(xué)遼寧省高等學(xué)校數(shù)字化設(shè)計與制造重點實驗室教授、博士。主要研究方向為傳感器與測試技術(shù)、先進制造技術(shù)。趙家慧,女,1989年生。大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。劉友，男，1973年生。哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院副教授、博士。丁萬昱，男，1979年生。大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授、博士。盛曉幸,男,1988年生。大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。宮刻,男,1989年生。大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。