瞬態(tài)溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的瞬態(tài)溫度傳感器屬瞬態(tài)高溫測試【技術(shù)領(lǐng)域】，該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元構(gòu)成,或可加溫度信號調(diào)理單元組成，溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀金屬外殼構(gòu)成，黑體輻射溫度敏感體以藍寶石為基底，在藍寶石基底前表面設(shè)置金屬薄膜，在金屬薄膜上面設(shè)置熱導率高的陶瓷層，在藍寶石基底后表面設(shè)置窄帶濾光膜，在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器，溫度信號調(diào)理單元由溫度信號調(diào)理電路構(gòu)成，光電變換器和溫度信號調(diào)理電路采用環(huán)氧樹脂整體固化并可設(shè)置在該溫度傳感器內(nèi)部，該傳感器優(yōu)點有：采用黑體輻射溫度敏感體能夠快速精確的感知溫度信號并存儲記錄,該傳感器外形尺寸小，可測量微小空間內(nèi)的瞬態(tài)高溫，受環(huán)境因素影響較小，適用于火炮膛內(nèi)、爆炸場等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下的瞬態(tài)高溫測量。
【專利說明】瞬態(tài)溫度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種瞬態(tài)溫度傳感器屬瞬態(tài)高溫測試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及的是一種接觸式的黑體平面輻射瞬態(tài)溫度傳感器。該傳感器可用在火炮膛內(nèi)、爆炸場等高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，能快速精確的感知溫度信號并轉(zhuǎn)換成電信號。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的測溫【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是在兵器科學【技術(shù)領(lǐng)域】中，由于熱電偶的溫度響應(yīng)特性較慢(約Is左右)，使被測溫度與實際溫度存在較大誤差和滯后；熱電阻式傳感器所適用的溫度范圍(-200?600°C)不能滿足高溫場合；紅外溫度傳感器容易受到火炮膛內(nèi)，以及爆炸場等惡劣環(huán)境下煙霧的干擾。黑體式藍寶石光纖測溫計根據(jù)黑體輻射理論，利用藍寶石光纖黑體腔傳感器、錐度光纖、傳導光纖、溫度測量光電放大器等可以解決高溫測量的難題，但仍然需要依靠光纖傳輸溫度信息，藍寶石光纖黑體腔傳感器、錐度光纖、傳導光纖和溫度測量光電放大器之間連接繁雜，在狹小的測量空間不便使用，無法測量特殊位置瞬態(tài)溫度信息，且高溫、高壓、高沖擊特殊測量環(huán)境下，黑體式光纖傳感器機械強度不夠，抗沖擊性能不足，錐度光纖、傳導光纖極易受損，光纖之間信號耦合效率低，衰減嚴重，測得的溫度數(shù)據(jù)可靠性不高，無法保證被測信息的完整、準確。因此，為了精確測得瞬態(tài)高溫，迫切需要一種耐高溫、響應(yīng)特性快并且受環(huán)境因素影響較小的測試裝置。瞬態(tài)高溫的準確測量就顯得尤為重要。
[0003]本發(fā)明的瞬態(tài)溫度傳感器，就是為了解決瞬態(tài)高溫測量的難題而研制的。瞬態(tài)高溫測量的共同特點是溫度高，變化快，可能伴有高壓或高速流動氣流，一次性過程居多。因此，在測量條件非常惡劣，技術(shù)要求很高的情況下，該瞬態(tài)溫度傳感器能把輻射式測溫技術(shù)和接觸式測溫技術(shù)有機地結(jié)合起來，可以順利地解決惡劣環(huán)境下瞬態(tài)高溫測量的難題。它能夠克服熱電偶、熱電阻、紅外傳感器、藍寶石光纖黑體腔傳感器等表現(xiàn)的缺點，在瞬態(tài)高溫測量領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:向社會提供這種瞬態(tài)溫度傳感器，該傳感器能夠在高溫、高壓、高沖擊下快速精確的完成對溫度信號的測量。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的:這種瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點在于:該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元構(gòu)成，這是該瞬態(tài)溫度傳感器的一種結(jié)構(gòu)；或該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元和溫度信號調(diào)理單元組成，這是該瞬態(tài)溫度傳感器的另一種結(jié)構(gòu)。上述的是該瞬態(tài)溫度傳感器的兩個技術(shù)方案。
[0006]根據(jù)以上所述的瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點還有:所述的溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀金屬外殼構(gòu)成。所述的黑體輻射溫度敏感體具有將溫度場點的瞬態(tài)溫度信號從熱能一輻射光能一電能信號連續(xù)轉(zhuǎn)換的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)。所述的圓柱狀金屬外殼如是高強度圓柱狀金屬外殼，高強度金屬如是合金調(diào)質(zhì)鋼、馬氏體時效鋼等。
[0007]根據(jù)以上所述的瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點還有:所述的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)是藍寶石a -Al2O3為基底，厚度為1.0~10.0_，在藍寶石基底前表面設(shè)置金屬薄膜，在金屬薄膜上面設(shè)置熱導率高的陶瓷層，在藍寶石基底后表面設(shè)置窄帶濾光膜，在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器，構(gòu)成整體化黑體輻射溫度敏感體，實現(xiàn)溫度信號-光信號-電信號的連續(xù)轉(zhuǎn)換。所述的藍寶石基底作黑體輻射溫度敏感體的優(yōu)點是藍寶石的物理化學性能穩(wěn)定，機械強度好，本質(zhì)絕緣，耐腐蝕，在0.3~4.0 μ m波段范圍內(nèi)透光性很好，熔點高達2045°C，選擇來做黑體輻射溫度敏感體的基底和核心件。所述的金屬薄膜、窄帶濾光膜如可采用沉積或濺射工藝技術(shù)或方法分別生長或鍍上到藍寶石基底前后面形成一體的黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)，然后在金屬薄膜上沉積或濺射熱導率高的陶瓷層，在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器。所述的金屬薄膜可采用金屬鑰、或銥、或鉬制造，金屬薄膜厚度為1.0~50.0 μ m，所述的金屬薄膜具有較高的發(fā)射率并隨著溫度的升高而增大，適用于高溫場合。所述的熱導率高的陶瓷層具有熔點高，熱膨脹系數(shù)小，導熱系數(shù)高并能夠保護金屬薄膜，防止金屬薄膜層被高溫氧化，所述的陶瓷層可采用氧化鋯ZrO2、碳化硼B(yǎng)4C、或氮化娃Si3N4制造,厚度為1.0~20.0 μ m。所述的窄帶濾光膜中心波長為680nm、帶寬為30nm,厚度為10.0~100.0nm,該窄帶濾光膜可采用二氧化鈦TiO2、或二氧化硅SiO2材料制造。所述的光電變換器是高質(zhì)量光電二極管或光電倍增管。
[0008]根據(jù)以上所述的瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點還有:所述的或可加的溫度信號調(diào)理單元由溫度信號調(diào)理電路構(gòu)成。所述的溫度信號調(diào)理電路包括有放大電路、濾波電路，以電壓信號從接口電路輸出。所述的溫度信號調(diào)理電路可設(shè)置在瞬態(tài)溫度傳感器內(nèi)部。所述的光電變換器信號輸出端聯(lián)接溫度 信號調(diào)理單元的輸入端。
[0009]根據(jù)以上所述的瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點還有:所述的光電變換器和溫度信號調(diào)理電路采用環(huán)氧樹脂整體固化。采用環(huán)氧樹脂將光電變換器和溫度信號調(diào)理電路等集成電路模塊整體固化，使該傳感器可在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下安全使用。
[0010]本發(fā)明的瞬態(tài)溫度傳感器優(yōu)點有:1.采用一體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)使測量的溫度信號實現(xiàn)從熱能---輻射光能---電能信號的連續(xù)轉(zhuǎn)換，無需過去的傳導光纖、光電放大器等的繁雜連接與復(fù)雜大結(jié)構(gòu)構(gòu)造。2.采用整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)能夠快速精確的感知溫度信號并產(chǎn)生輻射光信號。3.外形尺寸小，易于測量微小空間內(nèi)的瞬態(tài)高溫。4.受環(huán)境因素影響較小，能夠適用于火炮膛內(nèi)、爆炸場等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境。這種瞬態(tài)溫度傳感器值得采用和推廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]本發(fā)明的說明書附圖共有3幅:
圖1是瞬態(tài)溫度傳感器結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2是瞬態(tài)溫度傳感器實體結(jié)構(gòu)圖；
圖3是溫度信號調(diào)理電路圖。
[0012]在三圖中米用了統(tǒng)一標號，即同一物件在三圖中用同一標號。在三圖中:1.黑體輻射溫度敏感體；2.光電變換器；3.信號調(diào)理電路；4.信號輸出接口 ；5.陶瓷層；6.金屬薄膜；7.藍寶石基底；8.窄帶濾光膜；9.光電變換器與信號調(diào)理電路連接導線；10.金屬外殼基底；11.信號輸出導線；12.電源地線；13.電源線；14.金屬殼體；Vin.輸入端；Pl是電位器；R1?R7.均是電阻;U1?U4.均是運算放大器；Q1、Q2.均是NPN型三極管；C1?C3.均是電容；Vout.輸出端。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明的瞬態(tài)溫度傳感器非限定實施例如下:
實施例一.瞬態(tài)溫度傳感器
該例的瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元和溫度信號調(diào)理單元組成，該例的溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀金屬外殼構(gòu)成。所述的黑體輻射溫度敏感體具有將溫度場點的瞬態(tài)溫度信號從熱能一輻射光能一電能信號連續(xù)轉(zhuǎn)換的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)。所述的圓柱狀金屬外殼如是高強度圓柱狀金屬外殼，高強度金屬如是合金調(diào)質(zhì)鋼、馬氏體時效鋼等。該例的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)是安裝在記錄儀機械外殼一個端面上開的窗口內(nèi)的藍寶石α-Al2O3為基底，厚度選擇1mm、或5 mm、或IOmm,在藍寶石基底前表面濺射金屬薄膜，厚度選擇I μ m、或10 μ m、或20 μ m、或30 μ m、或40 μ m、或50 μ m，在金屬薄膜上面濺射熱導率高的陶瓷層，厚度選擇I μ m、或5 μ m、或10 μ m、或20 μ m,在藍寶石基底后表面采用磁控濺射工藝鍍上窄帶濾光膜，厚度選擇10nm、或20nm、或30nm、或40nm、或50nm、或60nm、或70nm、或80nm、或90nm、或IOOnm,在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器，構(gòu)成整體化黑體輻射溫度敏感體。所述的藍寶石基底作黑體輻射溫度敏感體的優(yōu)點是藍寶石的物理化學性能穩(wěn)定，機械強度好，本質(zhì)絕緣，耐腐蝕，在0.3?
4.0 μ m波段范圍內(nèi)透光性很好，熔點高達2045°C，黑體輻射溫度敏感體的藍寶石將溫度場點的瞬態(tài)溫度完成從熱能到輻射光能的信號轉(zhuǎn)換。所述的金屬薄膜具有較高的發(fā)射率并隨著溫度的升高而增大，適用于高溫場合，所述的金屬薄膜可采用金屬鑰制造。所述的熱導率高的陶瓷層具有熔點高，熱膨脹系數(shù)小，導熱系數(shù)高并能夠保護金屬薄膜，防止金屬薄膜層被高溫氧化，所述的陶瓷層可采用氧化鋯ZrO2制造。所述的窄帶濾光膜可選用中心波長為680nm、帶寬為30nm,所述的窄帶濾光膜可采用二氧化鈦TiO2材料制造。所述的光電變換器為高質(zhì)量光電二極管或光電倍增管，用來完成光電信號的轉(zhuǎn)換。該例的光電變換器信號輸出端聯(lián)接溫度信號調(diào)理單元的輸入端。該例的溫度信號調(diào)理單元由溫度信號調(diào)理電路構(gòu)成。所述的溫度信號調(diào)理電路包括有放大電路、濾波電路，以電壓信號從接口電路輸出。該例的溫度信號調(diào)理電路可設(shè)置在瞬態(tài)溫度傳感器內(nèi)部。這種瞬態(tài)溫度傳感器具體結(jié)構(gòu)由圖1?圖3聯(lián)合示出，圖1是瞬態(tài)溫度傳感器結(jié)構(gòu)方框圖，圖1中:I是黑體輻射溫度敏感體，2是光電變換器，3是信號調(diào)理電路，4是信號輸出接口。圖2是該例的瞬態(tài)溫度傳感器實體結(jié)構(gòu)圖，圖2中:2是光電變換器，3是信號調(diào)理電路，5是陶瓷薄膜，6是金屬薄膜，7是藍寶石基底，8是窄帶濾光膜，9是光電變換器與信號調(diào)理電路連接導線，10是金屬外殼基底，11是信號輸出導線，12是電源地線，13是電源線，14是金屬殼體。圖3是溫度信號調(diào)理電路圖，圖3中:Vin是光電變換器的信號輸出端，Pl是電位器，RU R2、R3、R4、R5、R6、R7是電阻，U1、U2、U3、U4是運算放大器，Q1、Q2是NPN型三極管，C1、C2、C3是電容，Vout是溫度信號調(diào)理電路信號輸出端。該例的光電變換器2和溫度信號調(diào)理電路3采用環(huán)氧樹脂整體固化。采用環(huán)氧樹脂將光電變換器2和溫度信號調(diào)理電路3等集成電路模塊整體固化，固化后可設(shè)置在瞬態(tài)溫度傳感器內(nèi)部，使該傳感器可在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下安全使用。
[0014]實施例二.瞬態(tài)溫度傳感器
該例的瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元構(gòu)成，這是瞬態(tài)溫度傳感器的另一種結(jié)構(gòu)，更簡單一些，大體結(jié)構(gòu)可由圖2示出，該例的瞬態(tài)溫度傳感器與實施例一的瞬態(tài)溫度傳感器不同點有:1.該例的瞬態(tài)溫度傳感器沒加有溫度信號調(diào)理單元。2.該例在藍寶石基底前表面沉積金屬薄膜，所述的金屬薄膜可采用金屬銥、或鉬制造；在金屬薄膜上面沉積熱導率高的陶瓷層，所述的陶瓷層可采用碳化硼B(yǎng)4C、或氮化硅Si3N4制造；在藍寶石基底后表面采用脈沖激光沉積工藝鍍上窄帶濾光膜，所述的窄帶濾光膜可采用二氧化硅SiO2制造。該例的瞬態(tài)溫度傳感器其余未述的，全同于實施例一中所述的，不再重述。
【權(quán)利要求】
1.一種瞬態(tài)溫度傳感器，特征在于:該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元構(gòu)成，或可加溫度信號調(diào)理單元組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬態(tài)溫度傳感器，特征在于:所述的溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀金屬外殼構(gòu)成，所述的黑體輻射溫度敏感體具有將溫度場點的瞬態(tài)溫度信號從熱能一輻射光能一電能信號連續(xù)轉(zhuǎn)換的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瞬態(tài)溫度傳感器，特征在于:所述的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)是藍寶石為基底，在藍寶石基底前表面設(shè)置金屬薄膜，在金屬薄膜上面設(shè)置熱導率高的陶瓷層，在藍寶石基底后表面設(shè)置窄帶濾光膜，在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬態(tài)溫度傳感器，特征在于:所述的或可加的溫度信號調(diào)理單元由溫度信號調(diào)理電路構(gòu)成，黑體輻射溫度敏感體的輸出端聯(lián)接溫度信號調(diào)理電路的輸入端。
【文檔編號】G01K11/20GK103776558SQ201310659087
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】尤文斌, 丁永紅, 馬鐵華, 張瑜, 李新娥, 祖靜, 裴東興, 范錦彪, 沈大偉, 張紅艷 申請人:中北大學