楊慶濤，朱新新，王 輝，白菡塵，裘進(jìn)浩

快速響應(yīng)熱流/溫度傳感器制備與試驗(yàn)研究*

楊慶濤1,2，朱新新2，王 輝2，白菡塵3，裘進(jìn)浩1

（1 南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210016 2 中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所 綿陽 621000 3 中國空氣動力研究與發(fā)展中心高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 綿陽 621000）

針對高超聲速飛行器在長時間試驗(yàn)中測量壁面溫度和熱流的要求，研究快速響應(yīng)熱流/溫度傳感器的制備工藝，介紹傳感器在熱流標(biāo)定、表面溫度測試和電弧風(fēng)洞試驗(yàn)中的測試結(jié)果。利用光學(xué)顯示設(shè)備對比研究三種不同的加壓銀釬焊工藝，結(jié)果表明無助焊劑的高純度銀釬焊工藝具有焊縫平整、厚度小、氣孔少的優(yōu)點(diǎn)。熱流標(biāo)定結(jié)果表明，水冷條件下傳感器的98%響應(yīng)時間約為0.35s，熱沉條件下約為0.33s，在0.42 MW/m2~2.11MW/m2范圍內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的偏差不大于6%；表面溫度對比測量表明，傳感器所測溫度與熱流具有線性關(guān)系，可以反映表面溫度對氣動加熱的影響；電弧風(fēng)洞試驗(yàn)表明，傳感器可以用于長時間熱防護(hù)試驗(yàn)的熱流測量。

熱流測量；溫度測量；標(biāo)定；電弧風(fēng)洞試驗(yàn)

引 言

高超聲速飛行器在飛行中會經(jīng)歷劇烈的氣動加熱，影響飛行器在飛行過程中的安全，飛行熱環(huán)境數(shù)據(jù)關(guān)系到熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其對于新型高超聲速飛行器的研制至關(guān)重要[1,2]。熱流測量是高超聲速飛行器地面氣動熱與熱防護(hù)試驗(yàn)的重要測試參數(shù)，為熱環(huán)境參數(shù)的確定、設(shè)備狀態(tài)的調(diào)試提供測試依據(jù)[3,4]。在某些高超聲速飛行器試驗(yàn)場合，如熱結(jié)構(gòu)考核試驗(yàn)[5,6]、沖壓發(fā)動機(jī)燃燒組織試驗(yàn)[7]、燃燒室結(jié)構(gòu)熱載荷匹配試驗(yàn)[8,9]等，壁面熱流通常超過1MW/m2，持續(xù)時間從幾秒到上千秒不等，壁面溫度會上升幾百甚至上千攝氏度，并且有可能導(dǎo)致試驗(yàn)狀態(tài)的變化。在這些試驗(yàn)中，壁面熱流與溫度之間有強(qiáng)烈的相關(guān)性，有必要同時獲得壁面溫度與熱流數(shù)據(jù)。因此，傳感器不但要能夠承受長時間加熱，而且要具有較快的響應(yīng)速度以反映壁面加熱狀態(tài)的變化，還要具有同時測量熱流和溫度的能力。

熱流傳感器的研制主要可以分為兩個方面：一是要闡明其測試原理，即傳感器內(nèi)部的傳熱機(jī)制，以及輸出信號與輸入物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，作為數(shù)據(jù)處理及設(shè)計(jì)變換裝置的依據(jù)；二是要研究改進(jìn)傳感器的制備工藝，使其實(shí)際的傳熱過程與原理設(shè)計(jì)的簡化/假定一致，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其性能。

目前熱流的測試通常以傳感器元件溫度測試為基礎(chǔ)，為滿足傳感器的原理設(shè)計(jì)要求，通常要求傳感器元件的不同材料之間保持良好的熱接觸，以忽略接觸熱阻產(chǎn)生的影響。薄膜類的傳感器通常采用沉積鍍膜、電鍍、材料生長等方式實(shí)現(xiàn)微尺度元件與基底的良好接觸[10-12]。尺度達(dá)到毫米級的元件則采用焊接或者擠壓等手段實(shí)現(xiàn)良好連接。文獻(xiàn)[13]中使用真空釬焊方法實(shí)現(xiàn)了戈登計(jì)中康銅與紫銅的良好連接；文獻(xiàn)[14]利用導(dǎo)熱膠實(shí)現(xiàn)了熱阻層與基底的良好熱接觸；文獻(xiàn)[15]介紹了三段金屬結(jié)構(gòu)的傳感器，利用真空擴(kuò)散焊實(shí)現(xiàn)不同金屬層之間的連接，用于穩(wěn)態(tài)低熱流的風(fēng)洞熱流測試；文獻(xiàn)[16]基于三段金屬結(jié)構(gòu)的傳感器，提出了同時考慮溫差項(xiàng)與儲熱項(xiàng)的數(shù)據(jù)處理方法，以提高熱流的響應(yīng)速度，并實(shí)現(xiàn)傳感器表面溫度的測試。

本文針對在長時間試驗(yàn)中測量表面溫度與熱流的需求，研究了三層金屬結(jié)構(gòu)快速響應(yīng)熱流/溫度傳感器[16]不同金屬層的連接工藝、傳感器本體與熱電偶的連接工藝等關(guān)鍵制備工藝，并利用標(biāo)定、試驗(yàn)的手段驗(yàn)證傳感器在實(shí)際測試中的準(zhǔn)確性和環(huán)境適應(yīng)性。

1 傳感器測量原理與數(shù)值仿真

1.1 傳感器測量原理[16]

圖1 快速響應(yīng)熱流/溫度傳感器原理

由下式計(jì)算傳感器表面溫度0：

得到0后，利用下式計(jì)算0：

1.2 傳感器性能數(shù)值分析

本文建立了金屬層1、金屬熱阻層、金屬層2厚度分別為2mm、1mm、2mm，直徑為6mm的水冷傳感器軸對稱有限元模型[16,17]，其前后表面的換熱條件見表1。模型網(wǎng)格如圖2所示，選用8節(jié)點(diǎn)平面四邊形單元，模型共包括1800個單元，5562個節(jié)點(diǎn)。傳感器底部存在水冷，設(shè)為對流換熱條件，傳感器側(cè)面設(shè)為絕熱條件。傳感器初始溫度設(shè)為300K。計(jì)算總時間為5s，時間步長0.01s。

另外本文建立了厚度分別為2mm、1mm、37mm的熱沉傳感器軸對稱有限元模型，選用8節(jié)點(diǎn)平面四邊形單元，模型共包括3420個單元，10520個節(jié)點(diǎn)。其前表面換熱條件與C3（C4）相同，其他表面絕熱。初始溫度、計(jì)算時間、步長與水冷傳感器計(jì)算條件相同。傳感器在不同算例條件下的98%響應(yīng)時間計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 算例邊界條件

表2 傳感器的熱流響應(yīng)時間

圖2 水冷傳感器數(shù)值模型計(jì)算網(wǎng)格

2 傳感器制備工藝研究

2.1 金屬層連接工藝研究

快速響應(yīng)熱流/溫度傳感器的基本結(jié)構(gòu)是三層緊密連接的金屬層，每層金屬層分別連接相同材料的金屬線。為了使實(shí)際的傳熱過程與理論分析過程相符，要求各金屬層之間的連接緊密、均勻、無氣孔、界面平整清晰。

文獻(xiàn)[15]中的三段式穩(wěn)態(tài)熱流傳感器，在不同金屬層之間采用了真空擴(kuò)散焊工藝。真空擴(kuò)散焊依靠高溫下不同材料之間的原子擴(kuò)散過程實(shí)現(xiàn)焊接，這就要求焊面具有足夠高的平整度和光潔度，并且壓力、溫度和時間參數(shù)相匹配，避免出現(xiàn)焊不透、微孔和變形等問題。

為降低對焊面加工要求，減小出現(xiàn)焊接缺陷的可能，本文研究了在銅與康銅之間采用銀釬焊連接的工藝。焊接前利用丙酮對銅、康銅和銀焊片表面進(jìn)行清洗，去除氧化層。如圖3所示，通過夾具將銀焊片擠壓在銅與康銅之間，利用氧乙炔焰加熱焊接。在焊接過程中，通過兩端加壓保證焊接強(qiáng)度，并排除中間的氣體。

對比焊接了三種樣件，第一種是首先將焊片在銅/康銅表面加熱融化，然后加壓焊接；第二種是在銀焊片兩側(cè)涂助焊劑，同時加熱銅-康銅-銀焊片；第三種是在銀焊片上不加助焊劑，同時加熱銅-康銅-銀焊片。焊完后均對樣件進(jìn)行切削加工，將表面加工到設(shè)計(jì)尺寸，并檢驗(yàn)焊接強(qiáng)度。在切削加工過程中，樣件均未出現(xiàn)斷裂等情況。

圖3 金屬層釬焊工藝示意圖

焊接采用的銀焊片為含銀95%、銅5%的合金，厚度為0.1mm，將焊接樣件沿軸向剖開后拋光，利用BROS-3020M-3B精密影像坐標(biāo)測繪儀觀察測量焊縫剖面，焊縫剖面如圖4所示。第一種焊件焊縫的厚度沿軸向變化很大，呈圓弧形，在軸心位置厚度最大，最大約0.5mm，明顯大于銀焊片厚度，觀察的三個焊件剖面存在1~3個明顯的氣孔；后兩種焊件的焊縫厚度比較均勻，測得的焊縫厚度為0.01mm~0.07mm，但加助焊劑焊件在焊縫邊緣有較多的氣孔，說明存在虛焊；無助焊劑焊件沒有明顯的氣孔。從焊縫厚度、氣孔數(shù)量看，無助焊劑焊件的焊接質(zhì)量更高。

圖4 焊縫剖面微觀形貌

金屬熱阻層（康銅）厚度為1mm；焊層為0.07mm時，前者的導(dǎo)熱熱阻比（/）相當(dāng)于后者的220倍（康銅導(dǎo)熱率取23W/(m·K)，銀焊片導(dǎo)熱率取370W/(m·K)）。可見在相同穩(wěn)態(tài)熱流情況下，焊層兩側(cè)溫差小于金屬熱阻層（康銅）兩側(cè)溫差的0.5%，對銅-康銅熱電偶的熱電勢輸出的影響很小，在數(shù)據(jù)處理時忽略其影響。

2.2 傳感器封裝設(shè)計(jì)

傳感器的封裝外殼直徑為10mm，外殼與熱流傳感器測量元件之間存在1.5mm的間隙，中間填充耐高溫隔熱材料。外殼的前端面設(shè)計(jì)了環(huán)形尖楔[18]，將隔熱材料與熱源隔開，并與傳感器柱體保持間隙配合，尖楔與傳感器接觸寬度小于0.2mm。外殼、測量柱體前端面和測量模型表面在安裝中保持平齊。

文獻(xiàn)[15]中將熱電偶焊接在距離金屬分界面較近的銅柱側(cè)面，忽略焊點(diǎn)位置與界面位置偏差。本文連接不同金屬層的熱電偶線直徑為0.13mm，通過纏繞方式與對應(yīng)金屬層連接，從而確保細(xì)金屬絲與金屬面焊接的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性。因?yàn)樗脽犭娕季€與對應(yīng)金屬材料相同，并且熱電偶接點(diǎn)在不同金屬層之間的交界面上，所以熱電偶線連接位置對測量結(jié)果無影響，這樣就減小了位置連接偏差產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。圖5為裝配完成的傳感器樣件。

圖5 傳感器樣件

圖6 光學(xué)積分器功率-熱流曲線

3 傳感器性能分析

3.1 熱流測量標(biāo)定及結(jié)果分析

利用中國空氣動力研究與發(fā)展中心的熱流傳感器弧光燈標(biāo)定設(shè)備[19]對傳感器樣件進(jìn)行標(biāo)定，該標(biāo)定設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)標(biāo)定和穩(wěn)態(tài)標(biāo)定，其標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度≤2.9%。系統(tǒng)配置了不同尺寸的系列水冷光學(xué)積分器，本次標(biāo)定選用15mm×15mm的光學(xué)積分器進(jìn)行標(biāo)定，其功率-熱流曲線見圖6。

利用影像坐標(biāo)測繪儀測量被標(biāo)定傳感器金屬層1（銅）和金屬熱阻層（康銅）的厚度，分別為1.86mm和1mm。在傳感器表面噴涂吸收率已知的涂層，在相同弧光燈輻射狀態(tài)下，和標(biāo)準(zhǔn)戈登計(jì)[20]（響應(yīng)系數(shù)由弧光燈標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定，溯源到室溫電標(biāo)定輻射計(jì)[21,22]）所測結(jié)果進(jìn)行對比標(biāo)定。

在相同輸入熱流情況下，傳感器在有、無冷卻水情況下標(biāo)定試驗(yàn)的溫度響應(yīng)見圖7。無冷卻水時，傳感器為熱沉傳感器。水冷傳感器經(jīng)過約1.8s后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，1和1–2隨時間均基本不變；無水冷（熱沉）條件下，熱流傳感器的溫度無法達(dá)到穩(wěn)態(tài)，由于1不斷上升，儲能項(xiàng)不為零，因此溫差1–2會低于水冷條件下的溫差。兩種條件下的熱流結(jié)果見圖8。熱沉條件下的熱流要高于水冷條件下的熱流，相對偏差在2.2%~14.6%之間，平均偏差為6.61%。這種偏差可能是由傳感器材料的熱物性數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確造成的[23]。

圖7 相同條件下水冷、熱沉傳感器的溫升

兩種條件下的熱流響應(yīng)時間相近，水冷條件下的98%響應(yīng)時間為0.35s，熱沉條件下為0.33s。標(biāo)定所得水冷傳感器98%響應(yīng)時間與數(shù)值模擬中C2和C4結(jié)果基本一致。熱沉條件下的響應(yīng)時間與模擬結(jié)果存在一定差別，主要是因?yàn)閷?shí)際標(biāo)定傳感器熱沉與數(shù)值模擬熱沉有所不同，所以造成傳感器軸向溫度分布的不同。

相同熱流輸入下水冷傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器測量結(jié)果的對比見圖9。與標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸入熱流相比，待標(biāo)定傳感器測量結(jié)果在低熱流區(qū)域偏小，在高熱流區(qū)偏大，在0.42MW/m2~2.11MW/m2范圍內(nèi)，兩者的偏差不大于6%。

測量偏差的主要來源有兩個：一是傳感器材料（特別是康銅材料）隨時間變化的熱物性與實(shí)際材料有差別，本文中采用的是文獻(xiàn)[23]中結(jié)果；二是側(cè)向傳熱的影響，從試驗(yàn)結(jié)果看，所研究的傳感器同時使用儲能項(xiàng)和溫差項(xiàng)處理數(shù)據(jù)，傳感器測溫?cái)?shù)據(jù)會受側(cè)向傳熱的直接影響，從而影響溫差項(xiàng)，所以其熱流測量結(jié)果對側(cè)向傳熱比塞塊式量熱計(jì)（只用儲能項(xiàng)）[18]更敏感。后續(xù)將對側(cè)向隔熱結(jié)構(gòu)的影響及其優(yōu)化問題作進(jìn)一步研究。

圖9 熱流對比標(biāo)定結(jié)果

3.2 傳感器表面溫度測量及結(jié)果分析

利用熱風(fēng)槍對傳感器樣件進(jìn)行加熱，熱風(fēng)槍功率為1800W，工作溫度50℃~600℃，加熱時保持600℃（設(shè)定值）不變。試驗(yàn)測得的表面溫度和熱流見圖10。隨著表面溫度上升，氣流與傳感器表面的溫差逐步減小，導(dǎo)致熱流逐步降低。表面熱流和表面溫度存在一個時間周期約為2.9s的波動，與熱風(fēng)槍出口氣流溫度具有相同的波動周期，反映出熱風(fēng)槍旋轉(zhuǎn)氣流的影響，如圖11所示。熱風(fēng)槍出口氣流溫度利用外徑0.5mm露端型鎧裝熱電偶測量，位置與快速響應(yīng)熱流/溫度傳感器相同。

圖10 表面溫度和表面熱流的測量結(jié)果

表面溫度與熱流的對應(yīng)關(guān)系見圖12。在溫度大于75℃的區(qū)域，熱流和溫度響應(yīng)滯后的影響逐步減小，表面溫度與熱流之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。根據(jù)擬合所得公式可計(jì)算得出傳感器表面溫度在0℃時，表面熱流為126.5kW/m2；測得最大熱流為95.1kW/m2，對應(yīng)溫度為74.98℃，利用擬合所得公式計(jì)算得出表面熱流為90.26kW/m2。

3.3 電弧風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

將所標(biāo)定的熱流傳感器安裝在水冷平頭駐點(diǎn)模型上，測量電弧風(fēng)洞流場的駐點(diǎn)熱流。平頭駐點(diǎn)熱流探針端頭直徑為35mm，如圖13所示。當(dāng)電弧風(fēng)洞流場穩(wěn)定后，利用送進(jìn)支架將駐點(diǎn)熱流模型送入流場中央，停留一定時間后退出流場。支架送進(jìn)的速度為400mm/s，從進(jìn)入流場至流場中心約需0.5s。

傳感器溫度和熱流響應(yīng)分別如圖14和圖15所示。試驗(yàn)中水冷傳感器得到了充分冷卻，進(jìn)入流場后約2s傳感器達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。熱流測量結(jié)果反映出流場具有較好的均勻性。傳感器自感受到氣流加熱至熱流達(dá)到第一個尖峰的時間為0.37s，與數(shù)值仿真和試驗(yàn)標(biāo)定所得的響應(yīng)時間基本一致。試驗(yàn)測量中出現(xiàn)的熱流波動可能與氣旋、支架振動以及電弧流場對傳感器信號的擾動有關(guān)，需要將來作進(jìn)一步分析。

圖12 表面溫度與熱流的對應(yīng)關(guān)系

圖13 平頭駐點(diǎn)熱流模型

圖14 傳感器風(fēng)洞試驗(yàn)溫度響應(yīng)

圖15 駐點(diǎn)熱流測量結(jié)果

同一傳感器在電弧風(fēng)洞中累計(jì)進(jìn)行了5次試驗(yàn)，總試驗(yàn)時間約17s，單次試驗(yàn)測量時間最長為4.1s，傳感器及水冷罩在試驗(yàn)條件下未發(fā)現(xiàn)損壞、失效。在通冷卻水時，傳感器在試驗(yàn)時間內(nèi)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，因此可以進(jìn)行長時間測量。

4 結(jié)束語

綜上所述，得到以下主要結(jié)論：

① 采用加壓釬焊工藝，實(shí)現(xiàn)了傳感器不同金屬層之間的良好連接，焊縫對熱流測試的影響小，具備工藝簡單、成本低、易于大量制備的優(yōu)點(diǎn)；

② 標(biāo)定結(jié)果表明：傳感器的98%響應(yīng)時間在水冷條件下約為0.35s，在熱沉條件下約為0.33s，測量結(jié)果在低熱流區(qū)域偏小，在高熱流區(qū)偏大，在0.42MW/m2~2.11MW/m2范圍內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)傳感器測量結(jié)果的偏差不大于6%；

③ 熱沉傳感器所測熱流和溫度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，反映了表面溫度對加熱熱流的影響；

④ 水冷傳感器可用于長時間電弧風(fēng)洞試驗(yàn)的熱流測量；

⑤ 熱流測量結(jié)果對側(cè)向傳熱比較敏感，下一步將通過側(cè)向傳熱建模和相關(guān)試驗(yàn)分析，對側(cè)向隔熱結(jié)構(gòu)的影響及其優(yōu)化、系統(tǒng)誤差來源及修正、試驗(yàn)數(shù)據(jù)解讀和驗(yàn)證等問題進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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Fabrication and tests of the fast-responding sensor for temperature and heat flux measurement

YANG Qingtao1,2, ZHU Xinxin2, WANG Hui2, BAI Hanchen3, QIU Jinhao1

（1. Aeronautic Key Laboratory for Smart Materials & Structures, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Hypervelocity Aerodynamics Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China; 3. Science and Technology on Scramjet Laboratory, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China）

A novel fast-responding sensor for heat flux and temperature measurement is fabricated and applied to heat flux calibration, surface temperature measurement and arc-heated wind tunnel tests, which aims at measuring surface temperature and heat flux simultaneously in hypersonic vehicle long-time tests. Three pressed silver blazing technologies are explored and compared using an optic microscopy instrument. As a result, smoother and thinner weld shape, less pores are achieved using the high-purity silver blazing without the use of fluxes. Heat flux calibration test indicates that the 98% response time is about 0.35s for the water-cooled sensor, and about 0.33s for the heat sink sensor, and deviation between the calibrated sensor and the standard one are not more than 6% in the range of 0.42MW/m2~2.11MW/m2. Furthermore, temperature comparison test results show that measured temperature and heat flux have linear correlativity, which reflects the effects of surface temperature on aero-heating. Finally, arc-heated wind tunnel test verifies the application potential of the sensor in long-time thermal protection system tests.

Heat flux measurement; Surface temperature measurement; Calibration; Arc-heated wind tunnel test

V441

A

CN11-1780(2020)02-0060-08

高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（STSKFKT2012003）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFA0401200）

2020-03-20

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

楊慶濤 1975年生，博士研究生，副研究員，主要研究方向?yàn)楦叱曀僭囼?yàn)測試技術(shù)。

朱新新 1988年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闅鈩訜崤c熱防護(hù)試驗(yàn)測試技術(shù)。

王 輝 1972年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)楦叱曀僭囼?yàn)熱流與辨識技術(shù)。

白菡塵 1965年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)楦叱曀贈_壓發(fā)動機(jī)技術(shù)。

裘進(jìn)浩 1963年生，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向?yàn)橹悄懿牧吓c結(jié)構(gòu)。