CN106871774A - 一种用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量烧蚀厚度和烧蚀碳化层温度的复合传感器，采用较细热电偶丝缠绕在采用被测防热材料加工的线芯上，将绕完热电偶丝的线芯进行涂胶处理，处理后与同样采用防热材料加工的套管进行粘接，并利用转接电路进行信号输出。本发明的传感器本体零件均采用防热材料加工而成，使用时安装在大面积被测防热材料内，从而保证烧蚀过程中能够与被测材料保持烧蚀同步，从而最真实的测量防热层的烧蚀量，消除由于材料差异带来的测量误差；传感器能够在测量烧蚀厚度的同时测量烧蚀碳化层的温度，实现两种热参数的测量。

Description

一种用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器

技术领域

本发明涉及的一种用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器，属于传感器测量领域。

背景技术

烧蚀传感器就是测量飞行过程中防热材料烧蚀量的传感器，是主要用于宇航工程试验的特种测量装置。烧蚀传感器需要与被测防热层同步烧蚀才能最真实的反映被测防热层的烧蚀情况，烧蚀过程中防热层的温度也是及其重要的一个参数，因此一种能同时测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的传感器可以极大程度上满足对于防热材料烧蚀厚度和烧蚀层温度的测量需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于测量烧蚀厚度和烧蚀碳化层温度的复合传感器，满足传感器与防热层的烧蚀同步性，同时测量烧蚀厚度与烧蚀层温度两种参数。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器，包括热电偶丝，线芯，套管；

所述线芯为柱状体，采用与待测防热材料相同的材料制成；

所述热电偶丝采用双绕方法绕制在线芯上，尾端保留出线长度为l的热电偶丝；

套管采用与待测防热材料相同的材料制成，套设在绕指热电偶丝的线芯外部；

复合传感器嵌入待测防热材料内部，通过测量复合传感器的通路电阻计算烧蚀厚度，测量复合传感器的输出电压计算烧蚀层温度。

优选的，复合传感器的通路电阻计算烧蚀厚度的公式如下：

其中S为热电偶丝的绕制间距，D为线芯的直径，ρ₁、ρ₂分别为热电偶丝正负极的的电阻率，r为热电偶丝的半径，R为复合传感器的电阻，l为复合传感器的出线长度，L为复合传感器的有效测量长度。

优选的，热电偶丝的直径小于20微米。

优选的，所述热电偶丝采用贴合在线芯表面，并通过胶粘接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)相较传统烧蚀传感器，本发明的传感器本体零件均采用防热材料加工而成，使用时安装在大面积防热材料内，材料烧蚀过程中能够与防热材料保持烧蚀同步，从而最真实的测量防热层的烧蚀量，消除由于材料差异带来的测量误差。

(2)可同时测量烧蚀层的温度，完成两种参数测量，无需设置两种传感器，实时性好，成本低。

附图说明

图1为本发明技术方案结构示意图；

图2为敏感元件制作中采用的双绕工艺示意图；

图3为传感器安装示意图；

图4为传感器测量过程原理图；

图5为烧蚀中传感器温度测量原理图。

具体实施方式

如图1所示，首先采用防热材料加工成为线芯(2)和套管(3)，线芯(2)作为极细热电偶(1)附着的基体，套管(2)用于探头封装和保护内部敏感结构。热电偶(1)粘胶后绕制在线芯(2)上，热电偶(1)由正极和负极组成，绕制时采用双绕工艺，既要求正负极之间绝缘良好，又要求圈与圈之间间距均匀，绕制完成后通过胶固化后的附着力将两者相对固定，双绕工艺示意图如图2所示，热电偶丝的绕制间距为S，线芯的直径为D。绕制后的线轴与套管(3)用胶粘接并固化。极细(直径小于20微米)热电偶丝(1)正负极进行焊接后绕制在防热材料制成的线芯(2)上，绕制后的线轴采用同种防热材料制成的套管(3)套装保护。极细热电偶丝同时作为测烧蚀用可变电阻敏感元件和测温用热电偶敏感元件。

传感器使用时将传感器探头粘接安装在防热材料预开孔内，确保探头顶端与防热材料表面齐平，传感器沿热流方向放置，传感器的有效测量长度为L，传感器出线长度为l，如图3。

当防热材料表面遇热流冲刷时，传感器探头与防热材料共同发生烧蚀后退，当防热材料发生烧蚀时烧蚀层会碳化导电，此时极细热电偶丝(1)正极和负极之间的导通点会随碳化层的后退而后退，如图4，通过测量极细热电偶丝(1)正负极之间的通路电阻R可以反推热电偶丝短路的位置，即防热材料发生碳化的位置，从而得到烧蚀厚度H。设热电偶丝正负极的的电阻率分别为ρ₁、ρ₂，热电偶丝的半径为r，则烧蚀厚度H与传感器电阻R的关系为式1。

发生烧蚀后热电偶的连接形式如图5，根据热电偶的测量原理，热电偶正负极之间的热电势反映的不是原连接点的温度T₁，而是碳化连接点的温度T₂，通过测量传感器输出的电压可以得到碳化位置的实际温度。传感器探头随被测材料发生烧蚀碳化，探头中芯棒和套管的碳化会使热电偶在该碳化位置产生新的接点，原始接点失效，碳化短路点作为新的接点，新的接点的位置即为烧蚀厚度H对应的位置，由热电偶原理可以得出碳化连接点的温度T₂，测量热电偶输出的电压获得温度值，计算方法为本领域公知方法。例如烧蚀厚度为5mm，可得出新的接点在5mm位置，该处温度T₂而不是T₁，传感器随防热材料共同烧蚀，测量更加准确。

可以保证传感器的烧蚀与被测材料同步，消除材料差异引入的误差，确保测得的烧蚀厚度参数真实可信。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器，特征在于，包括热电偶丝(1)，线芯(2)，套管(3)；

所述线芯(2)为柱状体，采用与待测防热材料相同的材料制成；

所述热电偶丝(1)采用双绕方法绕制在线芯(2)上，尾端保留出线长度为l的热电偶丝(1)；

套管(3)采用与待测防热材料相同的材料制成，套设在绕着热电偶丝的线芯(2)外部；

复合传感器嵌入待测防热材料内部，通过外部电路测量复合传感器的通路电阻计算烧蚀厚度，测量复合传感器的输出电压计算烧蚀层温度。

2.根据权利要求1所述的用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器，其特征在于：复合传感器的通路电阻计算烧蚀厚度的公式如下：

$H=L-\frac{R\·S\·\mathrm{\π}\·r^2-l\left({\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2\right)}{\left({\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2\right)\sqrt{{\mathrm{\π}}^2{D}^2+S^2}}$

其中S为热电偶丝的绕制间距，D为线芯的直径，ρ₁、ρ₂分别为热电偶丝正负极的的电阻率，r为热电偶丝的半径，R为复合传感器的电阻，l为复合传感器的出线长度，L为复合传感器的有效测量长度。

3.根据权利要求1或2所述的用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器，其特征在于：复合传感器粘接安装在防热材料预开孔内，复合传感器顶端与防热材料表面齐平。

4.根据权利要求1或2所述的用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器，其特征在于：热电偶丝的直径小于20微米。

5.根据权利要求1或2所述的用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器，其特征在于：套管(3)与线芯用胶粘接并固化。

6.根据权利要求1或2所述的用于测量烧蚀厚度和烧蚀层温度的复合传感器，其特征在于：所述热电偶丝(1)采用贴合在线芯(2)表面，并通过胶粘接。