传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法技术

本发明专利技术公开了一种传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法，传感器包括加热薄膜、第一导热薄膜、第二导热薄膜、第三导热薄膜、第四导热薄膜、第一温度传感器以及第二温度传感器，第一导热薄膜、第二导热薄膜、第三导热薄膜以及第四导热薄膜从下至上依次层叠在加热薄膜的表面，第一导热薄膜的导热系数小于第二导热薄膜的导热系数，第三导热薄膜的导热系数小于第四导热薄膜的导热系数，第一温度传感器设于第二导热薄膜与第三导热薄膜之间并用于测量第二导热薄膜的温度，第二温度传感器设于第四导热薄膜远离加热薄膜的一侧并用于测量第四导热薄膜的温度。通过传感器测量的温度可以同时计算出界面热导和对流换热系数，还可对测试的准确性进行验证。试的准确性进行验证。试的准确性进行验证。

【技术实现步骤摘要】
传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法


[0001]本专利技术涉及传感器件的
，特别是涉及一种传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法。

技术介绍

[0002]现有大多热传感器主要集中在温度、热流传感器方向研究，热对流传感器报道较少，而能适应结构复杂曲面的柔性热对流传感器更少。对流换热系数是表征复杂对流传热的系数，与材料的物理特性参数不同，它受许多因素的影响，例如流体密度，流体速度，固体表面，温度等。对流换热系数作为发动机高温热端部件冷却设计和发动机热分析系统所需的主要参数之一，对流换热系数的准确测量具有极为重要的意义。以涡轮盘设计为例，如果对流换热系数边界条件不准，则会导致盘表面温度的计算出现较大偏差，进而影响到后面的强度校核，对涡轮盘的寿命和发动机安全性造成恶劣影响。早期部件的对流换热测量的主要方法是利用热电偶测量加热面和冷却面的温度分布，再通过导热微分方程求得温度分布和表面的热流密度，进而求出表面的局部和平均对流换热系数。但这种方法对于温度边界条件十分敏感，一个很小的温度测量误差便会导致局部对流换热系数分布产生很大的改变。因此急需研发新的测试手段。
[0003]多年来，基于工程实际需求，涌现出较多的对流换热系数测量方法。对流换热系数测量方法中使用的专用测量工具一般被称为对流换热系数传感器。这种传感器的划分主要存在两大类：首先，根据所测对流换热过程的时间特征，可将传感器分为稳态型和瞬态型。稳态型传感器测量结果稳定，精度较高。瞬态型传感器的响应时间短，能够运用薄膜技术实现传感器的小型化及快速响应特征。现阶段国内外对于对流换热系数传感器的研制还主要集中在瞬态方面，而目前瞬态型传感器涉及的薄膜技术进展相对较为缓慢，使得许多传感器止步于理论设计阶段，无法开展相应的实验验证。但是现有的测量方法无法对界面热导进行同步测试，无法实现传感器测试结果的自验证。根据对流换热过程热流的来源，传感器又被分为自热型和非自热型。非自热型传感器的热流由测量表面提供，传感器自身不发热。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种传感器、传感器组件及对流换热系数测试方法，以解决现有技术中无法对界面热导和对流换热系数进行同步测试以及无法实现对传感器测试结果进行自验证的问题。
[0005]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0006]本专利技术提供一种传感器，包括加热薄膜、第一导热薄膜、第二导热薄膜、第三导热薄膜、第四导热薄膜、第一温度传感器以及第二温度传感器，所述第一导热薄膜、所述第二导热薄膜、所述第三导热薄膜以及所述第四导热薄膜从下至上依次层叠在所述加热薄膜的表面，所述第一导热薄膜的导热系数小于所述第二导热薄膜的导热系数，第三导热薄膜的导热系数小于第四导热薄膜的导热系数，所述第一温度传感器设于所述第二导热薄膜与所
述第三导热薄膜之间并用于测量所述第二导热薄膜的温度，所述第二温度传感器设于所述第四导热薄膜远离所述加热薄膜的一侧并用于测量所述第四导热薄膜的温度。
[0007]进一步地，所述传感器还包括第五导热薄膜和第六导热薄膜，所述第五导热薄膜和所述第六导热薄膜设于所述加热薄膜所述第一导热薄膜之间，所述第五导热薄膜位于所述第六导热薄膜靠近所述加热薄膜的一侧，所述第五导热薄膜的导热系数小于所述第六导热薄膜的导热系数。
[0008]进一步地，所述第一导热薄膜、所述第三导热薄膜以及所述第五导热薄膜的导热系数小于0.2W/m.K，所述第二导热薄膜、所述第四导热薄膜以及所述第六导热薄膜导热系数大于200W/m.K。
[0009]进一步地，所述第一导热薄膜、所述第三导热薄膜以及所述第五导热薄膜的导热系数相同，所述第二导热薄膜、所述第四导热薄膜以及所述第六导热薄膜的导热系数相同。
[0010]进一步地，所述第一导热薄膜、所述第三导热薄膜以及所述第五导热薄膜采用PI材料、PET材料或陶瓷制成，所述第二导热薄膜、所述第四导热薄膜以及所述第六导热薄膜采用金属制成。
[0011]进一步地，所述第二导热薄膜的厚度与所述第一温度传感器的厚度之比大于10，所述第四导热薄膜的厚度与所述第二温度传感器的厚度之比大于10。
[0012]进一步地，所述传感器还包括黑色涂层，所述黑色涂层涂布在所述第四导热薄膜远离所述加热薄膜的一侧并覆盖所述第二温度传感器，所述黑色涂层用于使所述传感器表面的发射率为0.95
‑
1。
[0013]本专利技术还提供一种传感器组件，包括柔性衬底以及多个如上所述的传感器，多个所述传感器之间相互间隔并设于所述柔性衬底的表面。
[0014]本专利技术还提供一种对流换热系数测试方法，用于如上所述的传感器，所述测试方法包括：
[0015]控制加热薄膜以第一温度T
N
进行加热；
[0016]通过第一温度传感器和第二温度传感器分别测量第二导热薄膜和第四导热薄膜的温度，此时，所述第二导热薄膜和所述第四导热薄膜的温度分别为T
c1
和T1；
[0017]控制所述加热薄膜以第二温度T
M
进行加热；
[0018]通过所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别测量所述第二导热薄膜和所述第四导热薄膜的温度，此时，所述第二导热薄膜和所述第四导热薄膜的温度分别为T
c2
和T2；
[0019]通过所述第一温度传感器和所述第二温度传感器两次测得的温度计算出对流换热系数。
[0020]进一步地，所述第一温度T
N
与所述第二温度T
M
的差值小于30℃。
[0021]进一步地，通过所述第一温度传感器和所述第二温度传感器两次测得的温度计算出界面热导，将所述界面热导与标定界面热导进行比对，以对所述传感器的测试结果进行自验证。
[0022]本专利技术有益效果在于：第一导热薄膜、第二导热薄膜、第三导热薄膜以及第四导热薄膜从下至上依次层叠在加热薄膜的表面，第一导热薄膜的导热系数小于第二导热薄膜的导热系数，第三导热薄膜的导热系数小于第四导热薄膜的导热系数，第一温度传感器设于
第二导热薄膜与第三导热薄膜之间并用于测量第二导热薄膜的温度，第二温度传感器设于第四导热薄膜远离加热薄膜的一侧并用于测量第四导热薄膜的温度。通过加热薄膜来对传感器进行加热，从而可以改变加热薄膜的功率使得第一温度传感器第二温度传感器可以测量多组数据，以建立方程组同时计算出界面热导和对流换热系数，还可以通过计算出的界面热导与标定的界面热导进行比对，以对测试结构的准确性进行验证。
附图说明
[0023]图1是本专利技术中传感器应用场景的结构示意图之一；
[0024]图2是本专利技术中传感器的截面结构示意图；
[0025]图3是本专利技术中传感器应用场景的结构示意图之二；
[0026]图4是本专利技术中传感器组件的结构示意图；
[0027]图5是本专利技术中对流换热系数测试方法的流程框图。
具体实施方式
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种传感器，其特征在于，包括加热薄膜(10)、第一导热薄膜(21)、第二导热薄膜(31)、第三导热薄膜(22)、第四导热薄膜(32)、第一温度传感器(41)以及第二温度传感器(42)，所述第一导热薄膜(21)、所述第二导热薄膜(31)、所述第三导热薄膜(22)以及所述第四导热薄膜(32)从下至上依次层叠在所述加热薄膜(10)的表面，所述第一导热薄膜(21)的导热系数小于所述第二导热薄膜(31)的导热系数，第三导热薄膜(22)的导热系数小于第四导热薄膜(32)的导热系数，所述第一温度传感器(41)设于所述第二导热薄膜(31)与所述第三导热薄膜(22)之间并用于测量所述第二导热薄膜(31)的温度，所述第二温度传感器(42)设于所述第四导热薄膜(32)远离所述加热薄膜(10)的一侧并用于测量所述第四导热薄膜(32)的温度。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器(100)还包括第五导热薄膜(23)和第六导热薄膜(33)，所述第五导热薄膜(23)和所述第六导热薄膜(33)设于所述加热薄膜(10)所述第一导热薄膜(21)之间，所述第五导热薄膜(23)位于所述第六导热薄膜(33)靠近所述加热薄膜(10)的一侧，所述第五导热薄膜(23)的导热系数小于所述第六导热薄膜(33)的导热系数。3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一导热薄膜(21)、所述第三导热薄膜(22)以及所述第五导热薄膜(23)的导热系数小于0.2W/m.K，所述第二导热薄膜(31)、所述第四导热薄膜(32)以及所述第六导热薄膜(33)的导热系数大于200W/m.K。4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述第一导热薄膜(21)、所述第三导热薄膜(22)以及所述第五导热薄膜(23)的导热系数相同，所述第二导热薄膜(31)、所述第四导热薄膜(32)以及所述第六导热薄膜(33)的导热系数相同。5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述第一导热薄膜(21)、所述第三导热薄膜(22)以及所述第五导热薄膜(23)采用PI材料、PET材料或陶瓷制成，所述第二导热薄膜(31)、所述第四导热薄膜(32)以及所述第六导热薄膜(33)采用金属制成。6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二导热薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯雪，彭祖军，闫宇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：