一种基于直接测温的平板型导热热流传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，所述平板型导热热流传感器包括：测温单元及测量电路，所述的测温单元包括平板、嵌入凸台、两个相同的温度传感器Ａ和温度传感器Ｂ。平板的上表面设有两个凹槽，其中一个凹槽连接有通孔。嵌入凸台紧密镶嵌在通孔中；温度传感器Ｂ固定在嵌入凸台上方。温度传感器Ａ固定在另一个不连接通孔的凹槽中。所述的测量电路包括，Ａ／Ｄ转换器、ＭＣＵ和恒流源。本发明专利技术的测温单元结构简单，只需要两个温度传感器、一个红铜平板和一个尼龙嵌入凸台，制造工艺易于实现。采用２４位的ＡＤ转换芯片，实现了高精度温度测量。通过两路温度测量，采用温度测量式热流传感器原理，实现了小热流测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热控制系统中的热流检测
，具体涉及一种基于直接测温的平板型导 热热流传感器。
技术介绍
热流密度是表征热量传递和交换的一个重要参数，在接触式导热状况下，根据傅里叶导 热定律热流密度可以用下面公式表示《= 一义0/〃刮 (1)其中，《为热流密度，义为材料的导热系数，(力/血)为物体沿x方向的温度梯度即物体 在x方向上温度变化率。在有T和T+ AT两个等温面时，热流密度可以表示为《=-A(AT/Ax) (2)其中AT为两个等温面之间的温差，Ax为两个等温面之间的距离，其他符号意义同式(l)。由式(2)可以看出导热式热流传感器的工作原理有以下两种温差测量和温度测量。目 前大部分导热热流传感器都是基于温差测量原理工作，根据热电效应，温差信号转为电信号 直接用作传感器信号处理电路的输入，这种传感器具有灵敏度高，却只能反映温差信号，且 制造工艺复杂、成本昂贵。另一种是基于温度测量原理工作，这种传感器不仅可以提供温差 信号还可以提供温度信息，但这种传感器对温度测量精度要求髙，早期的A/D转换技术难以 满足热流计算的精度要求。现有热流传感器的结构多数是基于温差测量(热电效应)原理设计，制作工艺复杂，测 量信号单一，也有部分采用热电偶测温，伹热电偶测量温度范围宽伹精度低，测量热流的分 辨率低，在小热流测量中无法应用。专利技术 内 容本专利技术的目的是为了解决上述问题，采用高精度的A/D转换技术和高精度薄膜式铂电阻 温度传感器，并对热流传感器自身结构进行设计，使温度测量式导热热流传感器可以满足对 热流和温度信号有双重需求的使用场合，实现了热流和温度测量的集成化测量，采用高精度 测量技术，可以实现小热流测量。本专利技术是一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，所述平板型导热热流传感器包括-. 测温单元及测量电路。所述的测温单元包括平板、嵌入凸台、两个相同的温度传感器A和温 度传感器B。所述平板的上表面上设有两个凹槽，所述凹槽分别位于上表面不同的两条边上，3凹槽的深度小于平板的厚度，并且其中一个凹槽连接有通孔。嵌入凸台涂抹导热硅脂后紧密镶嵌在通孔中，嵌入凸台底部与平板下表面处在同一平面且无缝接触；所述的温度传感器B 通过导热硅胶固定在嵌入凸台上方。温度传感器B和嵌入凸台的共同高度小于平板的厚度， 温度传感器A通过导热硅胶固定在另一个不连接通孔的凹槽中；所述的凹槽用于放置温度传 感器A、 B的导线。导线用于连接测量电路的A/D转换器。所述的平板采用高导热率的红铜作为材料。所述的嵌入凸台采用低导热率尼龙作为材料。 所述的温度传感器A、 B采用四线制髙精度薄膜铂电阻PTIOOO。所述的测量电路包括A/D转换器、MCU和恒流源。温度传感器A、温度传感器B的 铂电阻阻值信号在200^A恒流源的作用下转换为两路电压信号，所述的电压信号是温度传 感器A和温度传感器B两端的压差信号，由A/D转换器的两个差分输入通道输入，两路电 压信号通过A/D转换器的A/D转换通道A、 B，参考2.5V基准电压对电压信号进行采样转 换，使模拟电压信号转换成数字电压信号，即采样数值，MCU通过发送数据缓冲区对A/D 转换通道A、 B发送数值读取的控制信号，A/D转换通道A、 B接收到MCU的控制信号后， 将转换后的采样数值串行发送到MCU的接收数据缓冲区，MCU接收到采样数值后对其进行 多次滑动均值数字滤波处理，处理后得到有效数据，有效数据经过温度计算模块后得到温度 A和温度B，所述的温度A为红铜平板的温度，温度B为尼龙凸台顶端温度，温度A、温度 B经过温差计算和热流计算获取热流密度数值，热流密度数值为本热流传感器的最终结果， 由MCU输出，和温度A —起用作显示或者供上位机使用。所述的A/D转换器为24位高精度A/D转换芯片。所述的恒流源采用200//A恒流源。所述的电压基准采用2.5V电压基准。本专利技术的优点在于(1) 测温单元结构简单，只需要两个温度传感器、 一个红铜平板和一个尼龙嵌入凸台， 制造工艺易于实现；(2) 本专利技术采用24位高分辨率A/D转换器，配合高精度的薄膜式铂电阻温度传感器 PTIOOO，实现了髙精度温度测量；(3) 本专利技术通过两路温度测量，采用温度测量式热流传感器原理，实现了小热流测量。附图说明图1是本专利技术的测温单元装配前的结构示意图； 图2是本专利技术的测温单元装配后的结构示意图； 图3是本专利技术的测量电路的结构示意图。图中l-平板；2-嵌入凸台；3-温度传感器A; 4-温度传感器B; 5-凹槽；6-通孔；7-上表面；8-下表面；9-电压基准；10-A/D转换器；11-MCU; 12-恒流源。具体实施例方式下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，如图l、图2、图3所示，包括， 测温单元及测量电路，所述的测温单元包括平板1、嵌入凸台2、两个相同的温度传感器 A3和温度传感器B4。所述平板1的上表面7上设有两个凹槽5，所述凹槽5分别位于上表 面7不同的两条边上，凹槽5的深度小于平板1的厚度，并且其中一个凹槽5连接有通孔6。 嵌入凸台2涂抹导热硅脂后紧密镶嵌在通孔6中，嵌入凸台2底部与平板1下表面8同一平 面且无缝接触；所述的温度传感器B4通过导热硅胶固定在嵌入凸台2上方。温度传感器B4 和嵌入凸台2的共同高度小于平板1的厚度，温度传感器A3通过导热硅胶固定在另一个不 连接通孔6的凹槽5中；所述的凹槽5用于放置温度传感器A3、 B4的导线。导线用于连接 测量电路的A/D转换器10。所述的平板1采用高导热率的红铜作为材料，由于热流传感器使用时安装在被测导热物 体之间，因此热流传感器要有良好的导热性能，采用红铜作为材料，其热阻小，具有良好的 导热性能，能准确测取物体之间的导热热流。所述的嵌入凸台2采用低导热率尼龙作为材料，红铜的导热性能非常好，因此其两侧温 差几乎不可测，要测量热流就需要选择一种低导热率材料嵌入到红铜平板1的通孔6内，尼 龙具有很低的导热率且易于加工，由于通孔6占红铜平板1的面积很小，对热流传感器的导 热影响可以忽略，同时又可以测取温差计算热流，"凸"型的嵌入凸台2可以消除热量传导的 横向效应对热流传感器造成的影响。所述的温度传感器A3、 B4采用四线制高精度薄膜铂电阻PT1000。薄膜传感器体积小 易于安装固定，PTIOOO具有高于PTIOO十倍的精度，四线制可以消除传感器引线误差，提 高温度传感器A3、 B4的测量精度。当热流传感器工作时，下表面8贴紧热源，温度为TO，红铜平板1和尼龙嵌入凸台2 具有相同的温度边界条件TO ，温度传感器A3的温度为T1 ，温度传感器B4的温度为T2 ， 因此通过红铜平板1和尼龙嵌入凸台2的导热热流相等，即有其中，4> ^分别表示红铜和尼龙的导热系数，A&分别红铜平板1和尼龙嵌入凸台 2的厚度。由于A^aA^,Ax根据式(3)、式(4)消去参数rO有"A(ro-ri)/Ax'(3)(4)得到:其中1/义 ,，原本难以测量的温差T0-T1转换成了易于分辨的温差T2-T1 ，根据温度Tl和T2的数值获取准确热流密度数值。所述的测量电路包括A/D转换器10、 MCU11 (Micro Controller Unit)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于直接测温的平板型导热热流传感器，其特征在于，该导热热流传感器包括：测温单元及测量电路；　所述的测温单元包括：平板、嵌入凸台、两个相同的温度传感器Ａ和温度传感器Ｂ；所述平板的上表面上设有两个凹槽，所述凹槽分别位于上表面不同的两条 边上，凹槽的深度小于平板的厚度，并且其中一个凹槽连接有通孔；嵌入凸台涂抹导热硅脂后紧密镶嵌在通孔中，嵌入凸台底部与平板下表面处在同一平面且无缝接触；所述的温度传感器Ｂ通过导热硅胶固定在嵌入凸台上方；温度传感器Ｂ和嵌入凸台的共同高度小于平板的厚度，温度传感器Ａ通过导热硅胶固定在另一个凹槽中；　所述的测量电路包括：Ａ／Ｄ转换器、ＭＣＵ和恒流源；温度传感器Ａ、温度传感器Ｂ的电阻阻值信号在恒流源的作用下转换为两路电压信号，由Ａ／Ｄ转换器的两个差分输入通道Ａ、Ｂ输入到Ａ／Ｄ转换器 的Ａ／Ｄ转换通道Ａ、Ｂ，参考基准电压对电压信号进行采样转换，使模拟电压信号转换成数字电压信号，即采样数值，ＭＣＵ通过发送数据缓冲区对Ａ／Ｄ转换通道Ａ、Ｂ发送数值读取的控制信号，Ａ／Ｄ转换通道Ａ、Ｂ接收到ＭＣＵ的控制信号后，将转换后的采样数值串行发送到ＭＣＵ的接收数据缓冲区，ＭＣＵ接收到采样数值后对其进行滑动均值数字滤波处理，处理后得到有效数据，有效数据经过温度计算模块后得到温度Ａ和温度Ｂ，所述的温度Ａ为红铜平板温度，温度Ｂ为尼龙凸台顶端温度，温度Ａ、温度Ｂ经过温差计算和热流计算获取热流密度数值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李运泽，刘东晓，刘佳，王玉莹，李运华，王浚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]