瞬態(tài)測(cè)溫傳感技術(shù)研究進(jìn)展

劉 巖，劉建華，張雷博，方 靜，王 豐

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

近年來(lái)，瞬態(tài)溫度的測(cè)量需求隨著科技水平的提高變得越來(lái)越迫切，其重要性引起了各個(gè)領(lǐng)域的高度重視。目前，市場(chǎng)上的快速響應(yīng)溫度傳感器主要包括接觸式和非接觸式兩大類。非接觸式溫度傳感器主要以紅外和光纖測(cè)溫為主，具有響應(yīng)迅速、對(duì)被測(cè)環(huán)境沒有干擾的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量精度低，誤差較大。接觸式按照原理可分為熱電偶和熱電阻兩大類，測(cè)量精度高，誤差小，但會(huì)受到結(jié)構(gòu)和安裝環(huán)境的限制。本文以接觸式溫度傳感器為主探討瞬態(tài)測(cè)溫傳感器的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 瞬態(tài)測(cè)溫領(lǐng)域需求

在航空領(lǐng)域中，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度和推重比的不斷提高，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間的溫度變化幅度越來(lái)越大，快速、準(zhǔn)確地得到其內(nèi)壁面、燃燒室出入口和渦輪葉片壁面的溫度參數(shù)對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性、可靠性非常重要，其中，主發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度測(cè)量要求在0.4s 內(nèi)完成[1]。高超音速飛行器（如航天飛機(jī)、飛船等）在飛行過(guò)程中由于迎風(fēng)面巨大的氣動(dòng)摩擦效應(yīng)溫度急劇升高，尤其是返回式航天器再入過(guò)程邊界層轉(zhuǎn)捩的熱流脈動(dòng)等[2,3]，都需要獲取精確的溫度熱流參數(shù)，以準(zhǔn)確評(píng)估防熱層表面的熱環(huán)境，判別飛行器的熱防護(hù)性能[4]。在機(jī)械制造方面，高速切削加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等多個(gè)領(lǐng)域，而獲得切削過(guò)程中的溫度變化需要快速響應(yīng)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量[5-7]。在鍛模件生產(chǎn)過(guò)程中，巨大的機(jī)械沖擊和熱負(fù)荷導(dǎo)致鍛模損壞率居高不下，因此，全面測(cè)定鍛模的熱負(fù)荷狀態(tài)，對(duì)于針對(duì)性延長(zhǎng)模具使用壽命具有重要的意義。由于鍛模溫升速率很高，對(duì)傳感器的響應(yīng)速度有較高的要求，且鍛模表面與毛坯間存在劇烈的摩擦，需要特殊結(jié)構(gòu)的溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量[8]。彈丸在侵徹過(guò)程中由于摩擦產(chǎn)生突變溫度，整個(gè)侵徹過(guò)程持續(xù)時(shí)間在毫秒甚至微秒級(jí)，其中，鉆地彈可產(chǎn)生最高閃溫6968K，持續(xù)時(shí)間在0.01ms[9]，對(duì)測(cè)溫傳感器的響應(yīng)時(shí)間要求十分苛刻。溫壓彈由于其能量高、分布爆炸等優(yōu)勢(shì)在爆炸毀傷軍事領(lǐng)域具有重要的地位，對(duì)溫度測(cè)量有微秒量級(jí)的響應(yīng)時(shí)間要求[10]。在材料成型、槍膛內(nèi)壁表面溫度[11]、發(fā)射噴口/膛口燃燒溫度[12]、內(nèi)燃機(jī)活塞頂面和燃燒室壁面溫度[13]、激光燒蝕區(qū)溫度、硅片快速熱處理表面溫度變化、火藥/含能材料爆炸場(chǎng)熱輻射及熱毀傷、電學(xué)器件內(nèi)脈沖熱應(yīng)力下的暫態(tài)溫度分布[14]及高速動(dòng)車軸溫[15]等領(lǐng)域瞬態(tài)溫度的獲取，都需要快速響應(yīng)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。瞬時(shí)溫度的特點(diǎn)是溫度高、變化速度快，常為不可重復(fù)的一次性過(guò)程[16]，且測(cè)量環(huán)境惡劣，技術(shù)難度高，因此，就要求溫度傳感器能夠適應(yīng)各種惡劣的測(cè)量環(huán)境，能夠安裝到各種復(fù)雜場(chǎng)所。

2 接觸式快速響應(yīng)溫度傳感器

傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法均為接觸式測(cè)量，包括熱電偶測(cè)溫和熱電阻測(cè)溫兩種方法。普通熱電阻測(cè)溫由于其動(dòng)態(tài)性能和耐壓性能較差等缺點(diǎn)，一般為秒級(jí)響應(yīng)，不適用于溫度變化急劇的測(cè)量環(huán)境。尤其在高壓環(huán)境下，需使用鎧裝熱電阻溫度傳感器，這就更加延緩了熱響應(yīng)速度。熱電偶溫度傳感器以熱電效應(yīng)為基本原理，由于其較小的絲徑，熱容量很小，故微小的溫度變化也能作出迅速反應(yīng)。熱電偶溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間受到電極材料熱物理性質(zhì)、熱結(jié)點(diǎn)尺寸以及傳感器與被測(cè)物之間的傳熱系數(shù)等因素的影響，一般來(lái)說(shuō)，熱結(jié)點(diǎn)尺寸越小，響應(yīng)時(shí)間越短。重慶儀表材料研究所鄺振中對(duì)于球狀熱電偶接點(diǎn)溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間理論做了深入分析，通過(guò)熱平衡方程推導(dǎo)出了理想及實(shí)際情況下影響響應(yīng)時(shí)間的因素。文中指出理論上響應(yīng)時(shí)間僅與傳感器本身物理性質(zhì)有關(guān)，定義公式為：τ～L2/α。式中，L是指熱電偶絲的直徑，α是指熱偶絲的熱擴(kuò)散系數(shù)。而實(shí)際響應(yīng)時(shí)間不僅與熱接點(diǎn)及熱電材料的材料和尺寸有關(guān)，而且同被測(cè)面的特點(diǎn)以及測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)的具體情況有關(guān)，其定義公式如下：τ=WVC/hA[17,18]。W、V、C分別代表電極材料的密度、體積和熱容，h、A分別代表與被測(cè)環(huán)境的熱交換系數(shù)和交換面積。

2.1 絲型/箔片型熱電偶

普通熱電偶采用絲型電極材料進(jìn)行氬弧焊等操作形成球形熱接點(diǎn)，受絲材直徑和焊點(diǎn)尺寸的影響，響應(yīng)時(shí)間有一定的限制。北京遙測(cè)技術(shù)研究所研制的熱電偶采用直徑0.3mm 的K 型絲，在風(fēng)速1500m/s 的風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)得其時(shí)間常數(shù)可達(dá)18ms，并成功應(yīng)用于超音速飛行器壁面溫度的測(cè)量。但是這種絲材熱電偶機(jī)械強(qiáng)化和抗壓能力較弱，不適宜于壓力較高的測(cè)試環(huán)境。受熱慣性、機(jī)械強(qiáng)度和安裝等因素影響，絲材熱電偶通常具有遲滯性，最高可測(cè)得毫秒級(jí)的溫度變化。Rittel D 將T 型熱電偶絲嵌入聚合物固體內(nèi)部形成嵌入式熱電偶，成功測(cè)得了聚合物內(nèi)部瞬態(tài)溫度變化，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到10μs，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示[19]。

加州大學(xué)Henning C 等人深入研究了內(nèi)置熱電偶絲響應(yīng)時(shí)間的影響因素，推導(dǎo)出了典型內(nèi)置（本征）熱電偶時(shí)間常數(shù)的計(jì)算公式：，式中D、kT分別代表熱偶絲直徑、熱導(dǎo)率；α、k分別代表基底熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率。結(jié)構(gòu)如圖2 所示[20]。

圖1 嵌入式熱電偶Fig.1 Embedded thermocouple

圖2 半無(wú)限基底本征熱電偶Fig.2 Intrinsic Thermocouple

圖3 微型熱電偶Fig.3 Fast-response microthermocouple

為了提高響應(yīng)時(shí)間，通常將焊點(diǎn)壓扁成箔片或帶狀減小厚度，以貼片形式粘貼在被測(cè)表面。其中美國(guó)OMEGA 公司的代表性產(chǎn)品自粘式表面熱電偶，時(shí)間常數(shù)可達(dá)到毫秒級(jí)。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)Beckman P 等人研制了一種微型熱電偶，通過(guò)將熱接點(diǎn)處理成直徑0.08mm、厚2.5μm 的微型扁片熱接點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間降至3.4ms，在湍流沸騰的制冷劑-113 介質(zhì)中能精確識(shí)別和測(cè)量氣相與液相的溫度。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示[21]。

2.2 薄膜溫度傳感器

隨著薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜熱電偶逐漸引起科研工作者們的高度重視[22]。薄膜式熱電偶的結(jié)點(diǎn)厚度一般為微納米級(jí)，熱容量小，可實(shí)現(xiàn)毫秒/微秒級(jí)的響應(yīng)速度，比起傳統(tǒng)的絲狀熱電偶有很大的優(yōu)勢(shì)[14]。最早由德國(guó)研制的薄膜熱電偶結(jié)點(diǎn)厚度為2μm，用于測(cè)量槍膛內(nèi)壁面的溫度變化。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)將結(jié)點(diǎn)厚度減小為1μm，采用針狀薄膜熱電偶的結(jié)構(gòu)形式，在針尖處形成極薄的熱接點(diǎn)，大大提高了響應(yīng)速度，且測(cè)得子彈發(fā)射后槍膛壁溫變化率約為426.7℃/ms，計(jì)算其時(shí)間常數(shù)為1/4μs[23,24]。為了測(cè)量復(fù)雜表面的溫度，薄膜熱電偶在結(jié)構(gòu)上也由單機(jī)式向結(jié)構(gòu)/感知一體化改進(jìn)。日本首先研制出夾板式薄膜熱電偶溫度傳感器，與此同時(shí)，英國(guó)提出了將熱電極以薄膜的形式直接沉積在被測(cè)表面的方法[25]。美國(guó)NASA 針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度測(cè)量開展了一系列基礎(chǔ)研究和應(yīng)用。近年來(lái)，美國(guó)對(duì)于薄膜溫度傳感器的基礎(chǔ)理論研究有了較大的進(jìn)展，其中，量子尺寸效應(yīng)、薄膜尺寸效應(yīng)等對(duì)響應(yīng)時(shí)間都具有潛在的影響[26,27]。美國(guó)肯尼科特公司的Ledgemont 實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜熱電極的厚度小于120μm 時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)系數(shù)急劇減小，電阻率急劇增大，其響應(yīng)時(shí)間顯著增大；反之，其響應(yīng)時(shí)間小于1μs。因此，薄膜的臨界厚度對(duì)響應(yīng)時(shí)間的確定有著關(guān)鍵的影響[28]。

二十世紀(jì)九十年代，中國(guó)也已研制出響應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)的薄膜熱電偶溫度傳感器。西北工業(yè)大學(xué)運(yùn)用磁控濺射法研制出BMB-I 型Ta 薄膜熱電偶溫度傳感器，較好解決了絕緣問(wèn)題和鍍膜牢固性問(wèn)題。其薄膜厚度只有700nm，可測(cè)到1200℃高溫，響應(yīng)時(shí)間小于50μs，主要應(yīng)用于鍛模外壁面和燃?xì)鈩?dòng)力機(jī)壁面瞬變溫度的測(cè)量[29]。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所與重慶儀表研究所合作研制的鐵-鎳片薄膜熱電偶，時(shí)間常數(shù)小于10μs，該薄膜厚度在3μm～6μm，用于發(fā)動(dòng)機(jī)壁面瞬變溫度的測(cè)量，但其只能測(cè)得300℃以下的溫度[30]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制出一種用于高超聲速航天飛行器及天地往返飛行器表面瞬態(tài)高溫測(cè)量的K 型薄膜熱電偶，傳感器與航天器表面成為一體，可測(cè)溫度達(dá)到800℃，響應(yīng)時(shí)間在50ms 以內(nèi)[3]。1993 年，西北工業(yè)大學(xué)黃呂權(quán)教授通過(guò)射頻濺射法在金屬和非金屬表面上研制了K 型薄膜熱電偶，理論響應(yīng)時(shí)間接近0.1μs，試驗(yàn)響應(yīng)時(shí)間為45μs，且在測(cè)量鍛膜和零件磨削加工的瞬態(tài)溫度時(shí)取得了良好的結(jié)果[31]。2012 年，中國(guó)電子科技集團(tuán)四十八研究所利用離子束濺射法研制出了鉑-鉑銠快速響應(yīng)薄膜熱電偶，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到50ms 量級(jí)，精度可達(dá)到0.9%，用于武器裝備壁面高溫快速測(cè)溫[22]。大連交通大學(xué)利用直流脈沖磁控濺射技術(shù)研制了一種鎧裝K 型薄膜熱電偶，其響應(yīng)速度為微秒級(jí)，且得出了響應(yīng)時(shí)間隨薄膜厚度的變化規(guī)律[32]。

2.3 新型快速響應(yīng)溫度傳感器

薄膜熱電偶的工藝要求比較嚴(yán)苛，成本較高，且由于量子尺寸和薄膜尺寸效應(yīng)的存在，薄膜厚度也有一定的臨界尺寸。薄膜的熱物性參數(shù)與塊材有一定差異，很多需要特定的分度表，不適宜批量生產(chǎn)。從二十世紀(jì)九十年代開始，新型結(jié)構(gòu)溫度傳感器被研制和發(fā)展。其中，以美國(guó)NANMAC 公司侵蝕熱電偶為代表的溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到10μs，能夠在較為惡劣的環(huán)境中進(jìn)行不間斷測(cè)量，且可實(shí)現(xiàn)自更新功能。該熱電偶通過(guò)打磨過(guò)程自動(dòng)形成成百上千的微型摩擦焊點(diǎn)，從而形成測(cè)量熱接點(diǎn)。其外形結(jié)構(gòu)可加工成任意形狀，廣泛應(yīng)用于塑性過(guò)程、熱傳遞模型建立、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、移動(dòng)的電纜或紡織品類表面以及剎車內(nèi)襯壁面等溫度測(cè)量，且內(nèi)襯可以加工成任意形狀，材料與被測(cè)材料一致以降低傳熱誤差，典型結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

南京理工大學(xué)利用NANMAC 公司的鎢錸熱電偶（響應(yīng)時(shí)間＜10μs）進(jìn)行產(chǎn)生高溫階躍的羽流溫度場(chǎng)測(cè)量，測(cè)得時(shí)間常數(shù)為15ms，能夠滿足溫壓炸藥爆炸溫度場(chǎng)的測(cè)量[33]。西北核技術(shù)研究所采用侵蝕型熱電偶建立了爆炸瞬態(tài)溫度測(cè)量系統(tǒng)，并且利用激光加熱法對(duì)傳感器進(jìn)行了時(shí)間常數(shù)的標(biāo)定。研究表明，該帶狀熱電偶時(shí)間常數(shù)可達(dá)0.2ms，可測(cè)量高達(dá)2300℃的高溫，具有響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣、抗沖擊能力強(qiáng)和易于制作的優(yōu)點(diǎn)，適用于惡劣的沖擊溫度測(cè)量環(huán)境[34]。航天科工六院41 所改進(jìn)了鎢錸系自更新快速響應(yīng)熱電偶，將陶瓷填充材料改換為與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯相同的金屬材料鉭，成功測(cè)得了內(nèi)壁面上的瞬態(tài)溫度和熱流密度，其中，噴管喉部?jī)?nèi)壁面溫度最高達(dá)到1100℃，最大熱流密度達(dá)到13.5MW/m2，且在約2.5s 左右喉部?jī)?nèi)壁面溫度的升溫速率最高可達(dá)2000℃/s，在裝藥燒完之后降溫速率可達(dá)1000℃/s[35]。在此基礎(chǔ)上，Hussein A M 等人研究了不同的熱接點(diǎn)制備工藝對(duì)傳感器熱傳導(dǎo)的影響機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，用特定尺寸的外科手術(shù)刀片摩擦焊點(diǎn)具有一致的導(dǎo)熱系數(shù)，因此不需要單支分度，而用磨砂紙制備的傳感器不具有均一性，需要進(jìn)行單支分度。但是，不同制備工藝獲得的傳感器的響應(yīng)時(shí)間都低于50μs[36]。另外，NANMAC 公司的代表性產(chǎn)品如直角帶狀熱電偶在沸水測(cè)試中響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到18ms，可測(cè)量2300℃的高溫，因其帶狀熱接點(diǎn)與周圍熱源面平行，當(dāng)用于測(cè)量表面溫度的時(shí)候熱傳導(dǎo)誤差極小，在火箭噴嘴尾氣、腔/管道線性溫度、推進(jìn)過(guò)程以及食物攪拌等測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時(shí)，多功能型熱電偶不僅具備侵蝕和直角帶狀熱電偶測(cè)溫功能，還可獲得熱流參數(shù)。

圖4 侵蝕熱電偶Fig.4 Eroding thermocouple

通常的薄膜傳感器工藝是將金屬薄膜濺射沉積在玻璃或陶瓷表面，必須要求絕緣基底；若需沉積在導(dǎo)電金屬表面時(shí)，必須先沉積或預(yù)處理形成氧化絕緣層，由此就會(huì)改變被測(cè)表面的熱性質(zhì)，導(dǎo)致測(cè)量誤差。2005 年，多倫多大學(xué)和加拿大國(guó)家綜合制造技術(shù)研究所聯(lián)合研制了新型同軸薄膜熱電偶。該熱電偶利用H-13 工具鋼作為一種電極，另一電極使用康銅絲、銅絲或鎳鉻絲嵌入工具鋼中，中間用陶瓷水泥絕緣。最后用石墨片在熱電極表面劃過(guò)形成導(dǎo)電薄膜，搭接工具鋼和另一熱電材料形成熱接點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)。結(jié)構(gòu)如圖5 所示。該熱電偶很好解決了上述問(wèn)題，且只有0.5mm 的尺寸，可以陣列排布以獲得溫度分布[37]。

圖5 同軸薄膜熱電偶Fig.5 Co-axial thin film thermocouple

2016 年，印度Agarwal S 等人將鎳鉻-康銅電極材料制成同軸形式，在兩層電極之間鍍絕緣層，并采用蒸鍍方法將另一種金屬沉積在針狀電極表面形成薄膜，用來(lái)搭接熱接點(diǎn)，結(jié)構(gòu)與針狀薄膜熱電偶相似[38]。與此同時(shí)，Desikan S 等人用不同的方法設(shè)計(jì)研制了K 型同軸熱電偶，該熱電偶將鎳鉻絲處理成具有微小角度的楔形結(jié)構(gòu)嵌入鎳鋁柱中，該楔形電極在表面與另一電極過(guò)盈配合形成熱接點(diǎn)，其響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到3μs[39]。主要結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 同軸熱電偶Fig.6 Co-axial thermocouple

最近，北京遙測(cè)技術(shù)研究所研制出了以摩擦熱接點(diǎn)為特征的新型同軸熱電偶，與上述快速響應(yīng)熱電偶不同，其采用絕緣涂覆工藝，既提高了響應(yīng)速度，又簡(jiǎn)化了裝配，整體徑向尺寸只有2mm，響應(yīng)時(shí)間均在10μs 以下，最快可達(dá)到1μs。該產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)不間斷測(cè)量，機(jī)械強(qiáng)度和抗蝕能力較強(qiáng)，適用于惡劣的測(cè)量環(huán)境，在控制制作成本的基礎(chǔ)上能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

快速響應(yīng)溫度傳感器是測(cè)溫領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)所研制的快速響應(yīng)溫度傳感器響應(yīng)時(shí)間均在毫秒級(jí)或微秒級(jí)，且都是針對(duì)特定領(lǐng)域或特定使用環(huán)境，工藝復(fù)雜、成本高、制作量小。國(guó)外已研制出納秒級(jí)的溫度傳感器，在結(jié)構(gòu)、工藝或者整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中均具有優(yōu)勢(shì)。功能方面，傳感器正逐步向多功能一體化發(fā)展，例如，北京遙測(cè)技術(shù)研究所已率先實(shí)現(xiàn)薄膜熱電堆式溫度-熱流測(cè)量。另外，各種侵蝕環(huán)境中實(shí)現(xiàn)不間斷測(cè)量、燒蝕-溫度-熱流傳感器及液位-溫度傳感器等都是綜合性溫度傳感器的發(fā)展方向。結(jié)構(gòu)方面，傳感器正在向小型化發(fā)展，降低熱容，提高響應(yīng)時(shí)間，且減小對(duì)被測(cè)環(huán)境的熱干擾，實(shí)現(xiàn)陣列排布以獲得面甚至空間溫度分布。制備工藝方面，傳感器與被測(cè)對(duì)象一體化制備，如直接在被測(cè)對(duì)象上制備薄膜熱電偶或本征熱電偶等。另外，傳感器的研制也朝著低成本、批量化制作方向發(fā)展。