一种高精度高稳定性K型热电堆式热流传感器

本发明涉及热流测量，具体涉及一种高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器。

背景技术：

1、热流传感器是测量物体表面热流密度的核心部件，其测量精度和稳定性直接关系到高温设备运行监测、热工过程控制的可靠性，在冶金、航空航天等高温场景中，常需测量600℃左右环境温度及1mw/m²级热流密度，同时对传感器的体积、精度、稳定性及器件化程度均有较高要求。

2、现有k型热电堆式热流传感器存在明显不足：敏感头尺寸偏大，无法适配狭小安装空间，且敏感结构与敏感头尺寸匹配不合理，影响热流传导效率和测量响应速度；信号处理电路设计有缺陷，热电堆输出的毫伏级弱信号在放大过程中易受干扰，测量精度难以满足实际需求；测温电路与热流信号采集电路协同性差，温度补偿效果不佳，高温环境下稳定性不足；核心器件依赖进口，不仅增加生产成本，还存在供应链不稳定、后期维护不便等问题。

3、此外，现有热电堆传感器在600℃高温下普遍存在热应力大、边缘散热严重、电极易氧化脱落、温漂难以抑制等问题，长期工作稳定性差，无法满足高精度高温监测需求。因此，亟需开发一种敏感头紧凑、电路设计合理、采用全器件，且能满足高精度、高稳定性要求的k型热电堆式热流传感器，以解决现有技术的不足。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，提供一种高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，具有结构紧凑、测量精度高、稳定性好、器件化、适配性强等优点，通过创新结构设计和电路算法优化，解决高温下热应力、边缘散热、电极氧化、温漂等问题，可实现高温环境下热流与温度的同步精准测量。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，包括敏感头、信号处理电路及封装外壳，所述信号处理电路与所述敏感头电连接并集成于所述封装外壳内部；

4、所述敏感头呈圆形，外围设有同心环形分布的环形梯度导热槽，约束热流集中向中心区域传导；内设双层应力缓冲层，缓冲高温热应力；

5、所述敏感头的中心区域设有由多对k型热电偶串联组成的k型热电堆阵列，所述k型热电偶的电极与基底之间设有提升结合力的铂铑合金过渡层，所述电极采用抗高温氧化材质，表面覆盖纳米晶氧化铝致密层；

6、所述信号处理电路包括信号放大电路、测温电路、冷端补偿模块、滤波模块、稳压供电模块、双通道差分温漂实时抵消模块、动态增益校准单元及单片机；所述单片机作为数字运算核心，执行双通道差分温漂实时抵消与动态增益校准，对所述k型热电堆阵列与所述测温电路的温漂信号作差分运算，并按放大信号的偏差自适应调整放大增益；

7、所述封装外壳内设有温度场均匀化隔离层。

8、进一步地，所述双层应力缓冲层包括内层缓冲层和外层缓冲层，所述内层缓冲层贴合所述k型热电堆阵列的基底，所述外层缓冲层连接所述环形梯度导热槽，构成复合缓冲结构。

9、进一步地，所述电极包括镍铬合金层以及结合于所述镍铬合金层表面的金合金层，所述铂铑合金过渡层采用磁控溅射工艺镀覆于所述基底与所述电极之间。

10、进一步地，多对所述k型热电偶在所述中心区域内呈环形阵列均匀排布，所述k型热电堆阵列的总输出电压与被测热流密度呈线性关系。

11、进一步地，所述单片机通过两组独立的模拟spi通信接口分别对接第一模数转换芯片和第二模数转换芯片，所述第一模数转换芯片设于所述信号放大电路的后端，所述第二模数转换芯片设于所述测温电路的后端，实现热流通道与温度通道的数据同步采集；所述单片机的片内非易失性存储器存储温漂耦合系数、增益修正系数及分段温度补偿曲线，上电后自动读取完成补偿初始化。

12、进一步地，所述动态增益校准单元实时监测放大信号相对理论标准值的偏差量，当连续多次采样的偏差量超过校准触发判据时，以增益修正系数对基准增益进行修正，修正后的增益限定在保护区间内，偏差量收敛后将最优增益参数固化至所述单片机的片内存储器。

13、进一步地，所述双通道差分温漂实时抵消模块根据热电堆通道与测温通道之间的冷端实时温差以及温漂耦合系数，对所述k型热电堆阵列的输出电压进行温漂补偿；当单次补偿计算误差超过重采样判据且连续重算仍超限时，自动更新分段温漂耦合系数。

14、进一步地，所述测温电路包括依次电连接的k型测温热电偶、所述冷端补偿模块、信号前置放大模块、抗干扰滤波模块、adc模数转换模块及数字信号输出模块；所述k型测温热电偶的热端贴合所述敏感头的表面。

15、进一步地，所述k型测温热电偶为铠装热电偶，所述铠装热电偶的主体沿所述封装外壳内侧的走线槽布置并固定，冷端引线收纳于所述封装外壳内部的低温区，所述低温区远离所述敏感头。

16、进一步地，所述滤波模块包括模拟滤波子模块和数字滤波子模块，所述模拟滤波子模块包括设于所述信号放大电路的低通滤波电路，所述数字滤波子模块由所述单片机运行滑动平均滤波算法并内置跳变干扰剔除判据；所述稳压供电模块包括相互独立的第一供电支路和第二供电支路，所述第一供电支路为所述信号放大电路、所述双通道差分温漂实时抵消模块及所述动态增益校准单元供电，所述第二供电支路为所述测温电路及所述冷端补偿模块供电。

17、与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

18、本发明提供一种高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，通过优化敏感头结构（环形梯度导热槽、双层应力缓冲层、pt–rh合金过渡层、纳米晶氧化铝致密层）、创新信号处理电路设计（双通道差分温漂实时抵消模块、动态增益校准单元），采用全核心器件，配套完整标准化制造流程与多工况分级标定方法：制造阶段依次完成敏感基底开槽、陶瓷纤维缓冲层贴合、pt–rh过渡层蒸镀、k型热电堆阵列环形排布焊接、镍铬-金合金电极封接、纳米晶氧化铝致密层等离子喷涂，再完成信号处理电路贴片焊接、双路稳压电源分区布线、整体密封封装与温度场隔离层填充；标定阶段分低温基准标定、600℃高温热流梯度标定、长期温漂老化标定三步，依托标准辐射热流源与恒温炉完成动态增益参数录入、双通道温漂补偿系数固化、冷端补偿曲线存储，有效解决了现有传感器在高温下热应力大、边缘散热严重、电极易氧化脱落、温漂难以抑制等问题，实现热流与温度的同步精准测量，结构紧凑、稳定性好，适配高温工业场景，解决了现有技术的诸多缺陷。

1.一种高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，包括敏感头、信号处理电路及封装外壳，所述信号处理电路与所述敏感头电连接并集成于所述封装外壳内部；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，所述双层应力缓冲层包括内层缓冲层和外层缓冲层，所述内层缓冲层贴合所述k型热电堆阵列的基底，所述外层缓冲层连接所述环形梯度导热槽，构成复合缓冲结构。

3.根据权利要求1所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，所述电极包括镍铬合金层以及结合于所述镍铬合金层表面的金合金层，所述铂铑合金过渡层采用磁控溅射工艺镀覆于所述基底与所述电极之间。

4.根据权利要求1所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，多对所述k型热电偶在所述中心区域内呈环形阵列均匀排布，所述k型热电堆阵列的总输出电压与被测热流密度呈线性关系。

5.根据权利要求1所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，所述单片机通过两组独立的模拟spi通信接口分别对接第一模数转换芯片和第二模数转换芯片，所述第一模数转换芯片设于所述信号放大电路的后端，所述第二模数转换芯片设于所述测温电路的后端，实现热流通道与温度通道的数据同步采集；所述单片机的片内非易失性存储器存储温漂耦合系数、增益修正系数及分段温度补偿曲线，上电后自动读取完成补偿初始化。

6.根据权利要求1所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，所述动态增益校准单元实时监测放大信号相对理论标准值的偏差量，当连续多次采样的偏差量超过校准触发判据时，以增益修正系数对基准增益进行修正，修正后的增益限定在保护区间内，偏差量收敛后将最优增益参数固化至所述单片机的片内存储器。

7.根据权利要求1所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，所述双通道差分温漂实时抵消模块根据热电堆通道与测温通道之间的冷端实时温差以及温漂耦合系数，对所述k型热电堆阵列的输出电压进行温漂补偿；当单次补偿计算误差超过重采样判据且连续重算仍超限时，自动更新分段温漂耦合系数。

8.根据权利要求1所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，所述测温电路包括依次电连接的k型测温热电偶、所述冷端补偿模块、信号前置放大模块、抗干扰滤波模块、adc模数转换模块及数字信号输出模块；所述k型测温热电偶的热端贴合所述敏感头的表面。

9.根据权利要求8所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，所述k型测温热电偶为铠装热电偶，所述铠装热电偶的主体沿所述封装外壳内侧的走线槽布置并固定，冷端引线收纳于所述封装外壳内部的低温区，所述低温区远离所述敏感头。

10.根据权利要求1所述的高精度高稳定性k型热电堆式热流传感器，其特征在于，所述滤波模块包括模拟滤波子模块和数字滤波子模块，所述模拟滤波子模块包括设于所述信号放大电路的低通滤波电路，所述数字滤波子模块由所述单片机运行滑动平均滤波算法并内置跳变干扰剔除判据；所述稳压供电模块包括相互独立的第一供电支路和第二供电支路，所述第一供电支路为所述信号放大电路、所述双通道差分温漂实时抵消模块及所述动态增益校准单元供电，所述第二供电支路为所述测温电路及所述冷端补偿模块供电。