一种正交串联薄膜热电偶二维流速流向传感器及测量方法

本发明属于热式流体参数检测及薄膜传感器，具体涉及一种正交串联薄膜热电偶二维流速流向传感器及测量方法。

背景技术：

1、热式流量计是一类基于流体与热源之间传热规律实现流速检测的传感装置。其通常通过加热元件在待测流体中形成局部温度场，并利用流体运动引起的对流换热变化检测流动状态。其中，温差式热式流量计在加热元件附近设置温度检测单元，当流体流经加热区域时，流体对流会使原有温度场发生偏移，通过检测加热元件两侧的温度差异，可以获得与流速相关的响应信号。该类传感器没有机械运动部件，结构尺寸较小，适用于微小流量检测以及小型化流体参数测量。

2、现有温差式热式流量传感器多按照预定流动方向设置加热元件和温度检测元件，其输出信号主要反映传感器敏感方向上的流速分量。当待测流体流向不固定，或者流场中存在横向流动、旋流及其他多方向运动时，单一测量方向获得的温差信号无法完整描述流体在二维平面内的运动状态，难以同时确定流体的流速大小和流动方向。

3、为了获取多个方向上的流动信息，现有方案可通过增加不同方向的温度检测单元或设置多个独立测量模块分别检测不同方向上的流速响应，再综合各方向测量结果判断流体运动状态。但是，采用多个独立测量单元时，各测量单元与热源之间的距离、相对位置以及所处局部热场容易存在差异，不同测量方向难以保持一致的几何和热学条件；同时，各测量单元之间还可能受到基底导热及相邻热场的相互影响，造成不同方向测量信号之间出现附加偏差。随着测量单元数量增加，还会带来传感器尺寸增大、结构复杂以及多通道误差累积等问题。

4、此外，二维热式检测需要分别识别不同方向上由流体扰动造成的热场变化，而该类热场变化对应的温差信号通常较小。单个温度检测元件的输出幅值有限，在微小温差条件下，流速变化对应的信号差异不易充分体现；如果单纯通过增加检测单元数量提高方向检测能力，还会进一步增加器件之间的热耦合。因此，二维流速测量不仅要求测温单元在多个方向合理分布，还需要兼顾热源区域的热量分布、不同测量方向的结构一致性以及微弱温差信号的检测能力。

5、同时，基底本身的热传导也是影响薄膜热式传感器测量性能的重要因素。当发热器产生的热量经基底向周围扩散时，不同位置的温度检测单元可能受到非流体对流造成的附加温度变化，削弱流体流动产生的方向性热场偏移特征。因此，在有限尺寸的平面结构内，如何使热量集中在敏感区域，降低不同功能元件之间的热耦合，并使两个测量方向保持相同的热学和几何条件，是二维薄膜热式流速流向检测需要解决的关键问题。

6、因此，现有技术仍需要一种结构紧凑的二维薄膜热式流量传感器，在同一基底上建立两个相互正交且结构一致的温差检测方向，在减少基底热传导和各测温单元之间热干扰的同时，提高微小温差条件下的信号辨识能力，使两个方向获得的温差信号能够分别稳定表征对应的流速分量，进而实现二维平面内流速大小和流动方向的同步测量。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种正交串联薄膜热电偶二维流速流向传感器及测量方法，在平面薄膜集成结构中，利用单一中心热源构建结构一致的两个正交差分测温通道，并增强流体扰动产生的微弱温差信号，以稳定获取二维平面内两个正交流速分量，用于解决现有热式流量传感器在二维流动测量过程中，不同方向测量通道的几何及热学条件难以保持一致、基底导热及测温单元之间的热耦合易削弱方向性热响应、微弱温差信号辨识能力不足，导致二维流速分量测量稳定性和流向识别准确性受限的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种正交串联薄膜热电偶二维流速流向传感器，包括基底、设置于所述基底表面的发热器以及温度检测单元；所述发热器设置于所述基底的中心区域，所述发热器的有效发热区域采用s形导线结构；

4、所述温度检测单元包括四组串联式薄膜热电偶，每组所述串联式薄膜热电偶由多个薄膜热电偶单元串联构成；

5、四组所述串联式薄膜热电偶以所述发热器为中心，分别沿相互垂直的第一测量方向和第二测量方向布置，每一测量方向上的两组串联式薄膜热电偶分别位于所述发热器的两侧并相对于所述发热器对称布置，且四组所述串联式薄膜热电偶与所述发热器中心之间的距离相同；

6、每一测量方向上的两组串联式薄膜热电偶分别检测流体流动引起的对应位置处的温度响应，以获得表征对应测量方向热场偏移的温差信号。

7、进一步的，所述基底采用具有电绝缘性能和低热导率的材料制成，所述基底为氧化铝基底或聚酰亚胺基底。

8、进一步的，所述发热器采用具有电热转换性能及电阻温度特性的金属材料制成，所述金属材料为铂或钨。

9、进一步的，每组所述串联式薄膜热电偶包括多个依次串联的薄膜热电偶单元，相邻薄膜热电偶单元之间通过正极和负极交替连接，各薄膜热电偶单元产生的热电势在同一输出回路中叠加。

10、进一步的，所述薄膜热电偶单元包括铜正电极和康铜负电极，所述铜正电极与所述康铜负电极连接形成热电偶结。

11、进一步的，所述发热器和所述串联式薄膜热电偶均采用薄膜结构，并通过磁控溅射工艺形成于所述基底表面。

12、进一步的，所述发热器为铂薄膜发热器，所述串联式薄膜热电偶包括铜薄膜正电极和康铜薄膜负电极。

13、进一步的，所述基底表面的传感器图案外覆盖有碳化硅保护层，所述碳化硅保护层覆盖所述发热器和所述串联式薄膜热电偶。

14、本发明的另一技术方案是一种正交串联薄膜热电偶二维流速流向测量方法，包括以下步骤：

15、采用二维流速流向传感器，所述二维流速流向传感器包括基底、设置于所述基底中心区域的发热器以及四组串联式薄膜热电偶，所述发热器的有效发热区域采用s形导线结构，四组所述串联式薄膜热电偶以所述发热器为中心分别沿相互垂直的第一测量方向和第二测量方向布置，每一测量方向上的两组串联式薄膜热电偶分别位于所述发热器两侧并相对于所述发热器对称布置，且四组所述串联式薄膜热电偶与所述发热器中心之间的距离相同；

16、向所述发热器通电，在所述基底的中心区域形成温度场；

17、分别获取第一测量方向和第二测量方向上位于所述发热器两侧的串联式薄膜热电偶的输出信号，根据同一测量方向上两组串联式薄膜热电偶的输出信号获得表征该测量方向热场偏移的温差信号；

18、依据预先建立的温差信号与流速之间的对应关系，分别确定待测流体在第一测量方向上的第一流速分量和第二测量方向上的第二流速分量；

19、对所述第一流速分量和所述第二流速分量进行速度矢量合成，获得待测流体在二维平面内的流速大小和流动方向。

20、进一步的，在二维流速流向测量之前，对所述串联式薄膜热电偶进行标定，建立所述串联式薄膜热电偶的输出热电势与其热端和冷端之间温差的第一标定关系，并建立各测量方向上的温差信号与对应流速分量之间的第二标定关系；

21、测量时，根据所述第一标定关系将各串联式薄膜热电偶的输出热电势转换为对应的温度响应，根据同一测量方向上位于所述发热器两侧的两组串联式薄膜热电偶的温度响应获得该测量方向的温差信号，并根据所述第二标定关系确定对应的流速分量。

22、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

23、一种正交串联薄膜热电偶二维流速流向传感器，采用中心s形发热器配合四组串联式薄膜热电偶，在两个相互垂直方向形成结构一致的差分测温通道。s形发热结构在有限面积内延长有效发热路径，使热量集中于敏感区域；四组热电偶与发热器中心等距且对称布置，使两个方向具有统一的几何测量基准；串联热电偶增强微弱温度变化对应的电信号。流体经过敏感区域后产生的热场偏移可以分别投影到两个正交方向，为同时获取流速大小和流向提供二维热响应信息。

24、进一步的，采用低热导率且具有电绝缘性能的基底。低热导率基底减少热量沿基底横向扩散，减弱发热器与不同测温单元之间经基底产生的热耦合，使流体对流造成的局部热场变化保持较高辨识度；电绝缘性能减少发热器、热电偶电极之间发生电气干扰的可能。氧化铝和聚酰亚胺均适合薄膜器件承载，能够满足传感器平面集成的结构要求。

25、进一步的，采用铂或钨作为发热器材料。这类金属具备较稳定的电热转换特性，通电后能够在中心敏感区域持续形成热源，流体经过发热区域时产生的对流换热变化具有稳定的热输入基础。采用铂薄膜发热器，其结构可通过磁控溅射形成，与外围薄膜热电偶保持相同的薄膜加工体系，减少不同器件制造方式造成的集成困难。

26、进一步的，将多个薄膜热电偶单元依次串联，并采用正负极交替连接，各热电偶产生的热电势在同一回路内累积。与单个热电偶相比，相同温差条件下能够获得幅值更高的输出信号，对较小热场变化的辨识能力更强。串联式薄膜热电偶的热电势与温差保持较好的线性关系，拟合决定系数达到0.9977，测得灵敏度为44.56 μv/k，为温度差检测提供了实际测试依据。

27、进一步的，采用铜和康铜构成薄膜热电偶材料组合。两种材料形成热电偶结后，可以将热结与冷结之间的温度差转换为热电势输出。实施例分别采用铜靶材和康铜靶材通过磁控溅射形成正、负电极，能够直接构成平面薄膜热电偶阵列，并与中心发热器集成在同一基底上，减少独立温度传感元件带来的装配空间和位置误差。

28、进一步的，将发热器和串联式薄膜热电偶均制成薄膜结构，并采用磁控溅射形成于基底表面。发热元件与测温元件可以在同一平面内完成图形化制备，各元件之间的位置、间距以及相对方向更容易保持一致，适合构建四方向对称的二维测量结构。薄膜结构自身热容量较小，对流场温度变化能够产生较快响应，同时减少独立器件装配造成的结构尺寸增加。

29、进一步的，采用铂薄膜发热器以及铜/康铜薄膜热电偶。铂承担中心电热转换功能，铜和康铜承担温差—热电势转换功能，各功能层均采用金属薄膜形式集成于基底。该材料组合与实际制备工艺相对应，发热功能和温度感知功能可以按照预定二维图案制作，避免采用体积较大的分立式温度传感器，并保持传感器整体结构紧凑。

30、进一步的，在发热器和串联式薄膜热电偶形成的传感器图案外覆盖碳化硅保护层。保护层将铂、铜及康铜薄膜与外部环境隔开，降低金属薄膜发生氧化失效的风险，同时保留内部发热和热电转换结构。实施例采用磁控溅射形成碳化硅层，其工艺能够与前述薄膜器件制备过程衔接，保持整个敏感结构的薄膜化和一体化。

31、一种采用正交串联薄膜热电偶二维流速流向传感器的二维流速流向测量方法，分别获取两个相互正交方向上的温差信号，并利用预先建立的温差与流速对应关系得到两个方向的流速分量，再对两个流速分量进行矢量合成。该测量方式把任意二维流动分解到两个固定正交方向，避免只依赖单一敏感方向判断流体运动状态。实验结果显示，0°~90°范围内计算角度与实际角度吻合较好，最大测量误差为5.21°，平均分辨率达到1.5°，验证了二维流向测量方案的可行性。

32、综上所述，本发明采用中心s形薄膜发热器和正交布置的串联式薄膜热电偶，在同一平面内形成两个差分测温方向，可同步获得二维流速分量。串联热电偶增强微弱温差输出，薄膜集成结构尺寸小、响应快，并可同时测量流速大小和流动方向。

33、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。