陶瓷嵌入式接点热电偶用于受限极端热环境原位瞬态温度测量

《Micromachines》：Ceramic Embedded Junction Thermocouple for In Situ Transient Temperature Measurement in Confined Extreme Thermal Environments

　　

在受限极端热环境下的瞬态温度测量需要具备快速响应和结构稳定性的传感器。传统热电偶通常存在响应延迟或接点保护不足的问题，导致对局部热载荷的表征不准确。在本工作中，研究人员开发了一种陶瓷嵌入式接点热电偶，用于原位瞬态温度测量。通过有限元模拟优化了传感器结构，并通过无机粘接、热处理和表面研磨将NiCr/NiSi接点嵌入Al?O?陶瓷基底中。对所制备的传感器进行了热电特性表征、高温稳定性测试、动态响应测量和校准。该传感器在300至1200 °C范围内表现出41.26 μV/°C的塞贝克系数（Seebeck coefficient），在1200 °C下连续输出8小时，并实现了约187 μs的响应时间。在300–1000 °C范围内最大相对偏差低于0.47%。在一次受限热鼻爆炸试验中，该传感器成功捕获了瞬态温度演变过程，并记录了约1289 °C的峰值温度。传统热电偶记录的峰值温度低于800 °C，比所开发的传感器低约40%。所提出的传感器为受限极端热环境下局部瞬态温度测量提供了一种可靠的方法。

研究背景与问题提出

爆炸过程涉及极短时间内剧烈的能量释放，能在受限空间内产生高温、高压和强冲击等快速变化的环境。爆炸后的局部温度既反映了能量释放及相关传热过程，也与周围结构承受的热载荷密切相关。因此，特定位置的瞬态温度测量对于分析爆炸热效应、设计热防护结构和评估结构安全性具有重要意义。与稳态高温测量不同，爆炸环境中的温度场具有持续时间短、变化迅速和空间非均匀性显著的特点，这对测温系统的时间响应能力和环境适应性提出了严苛要求。若未能捕获瞬态温度峰值及其时间演变，可能导致对爆炸热载荷及后续结构热响应的不准确表征。

现有温度测量手段主要包括非接触式光学技术和接触式热电偶。基于双色测高温法（two color pyrometry）、高速成像和多光谱辐射的光学方法可用于爆炸火球的瞬态温度测量，但其适用性受限于目标区域与检测系统之间是否存在有效光路。当测量位置位于受限腔体内部或被周围结构遮挡时，光学方法难以应用。热电偶因其无需外部激励、测温范围宽且可配置为插入式探头进行原位局部测量而具有吸引力。减小热电偶传感区域的尺寸和热质量是提升其跟随快速温度变化能力的有效途径，然而，当热电偶直接暴露于爆炸环境时，缩小传感元件尺寸也引发了结构完整性问题。因此，单纯通过减小热电偶丝和接点的尺寸来降低热惯性是不够的，还需考虑爆炸加载下的结构稳定性。

为解决这一挑战，本研究开发了一种带陶瓷基底和嵌入式接点的热电偶，用于爆炸环境中的瞬态温度测量。

研究方法与技术路线

研究人员首先采用有限元分析确定传感器的整体尺寸并设计铠装结构。通过单向流固耦合数值模型，比较了外径为4、6、8、10和12 mm的五种传感器模型在不同流速下的结构响应，最终选定外径8 mm、总长55 mm的尺寸方案。随后，通过热电偶焊接、无机粘接、热处理和表面研磨等工艺完成NiCr/NiSi接点在Al?O?陶瓷基底内的嵌入集成。具体流程包括：使用MES TL-WELD热电偶焊接系统制备球形NiCr/NiSi接点；将接点置于陶瓷基底前端凹槽内，引入无机粘接材料填充间隙，经室温固化2小时和120 °C处理24小时后进行表面研磨抛光，形成最终传感面；最后完成镍合金铠装壳、定位销和后端引线保护结构的装配。

研究结果

3.1 热电特性与重复性：使用Fluke 9118A高温校准炉在300–1200 °C范围内进行静态标定。传感器输出电压与温度呈近似线性关系，拟合斜率为0.04126 mV/°C，对应塞贝克系数（Seebeck coefficient）为41.26 μV/°C，决定系数R2达0.9997。四次独立热循环标定的最大重复性误差为2.32%，表明陶瓷嵌入式接点结构在反复加热冷却过程中保持了稳定的热电输出。

3.2 高温性能：传感器在1200 °C下经历两次3小时热循环和一次8小时连续暴露，均保持连续热电输出无中断。在300–1200 °C范围内步进升温（每150 °C台阶保持20分钟）测试中，各温度平台均获得稳定电压信号，升降温曲线无明显偏离。局部激光加热实验显示，当记录温度接近约1307 °C时热电信号突然消失，表明传感器在该局部集中加热条件下发生失效。

3.3 动态响应特性：采用脉冲激光加热方法进行动态标定。短时激光脉冲施加于传感端接点，记录瞬态热电电压响应。从脉冲激励曲线获得的特征响应时间约为187 μs，表明尽管引入了支撑性陶瓷基底，该结构仍能实现亚毫秒级响应能力。

3.4 标定精度与不确定度评估：使用标准S型热电偶作为参考，在300、400、500、800、900和1000 °C六个温度点进行独立标定。测得温度偏差范围为?1.4至?2.2 °C，最大相对偏差为0.47%，扩展不确定度（k=2）在0.5–1.0 °C范围内。

3.5 爆炸现场原位瞬态温度测量：在靶弹热鼻腔内进行静态爆炸试验。共安装四支热电偶，其中一支为本研究开发的陶瓷嵌入式接点热电偶（TC 1），另三支为常规K型热电偶，分别采用钻孔固定（TC 2）、绑扎（TC 3）和表面贴附（TC 4）方式安装。爆炸后，所有热电偶均记录到明显的温升和随后的冷却过程。本研究所开发传感器展现出更快的温升速率，并在爆炸后约80秒捕获到约1289 °C的峰值温度。相比之下，三支常规K型热电偶记录的峰值温度均低于800 °C，比所开发传感器的峰值温度低约40%。在整个超过16分钟的测量期间，所开发传感器维持了连续信号输出。

结论总结

研究人员开发了一种用于受限爆炸环境局部瞬态温度测量的陶瓷嵌入式接点热电偶。通过将NiCr/NiSi热电偶接点集成于Al?O?陶瓷基底并设计铠装插入式探头，该传感器在接点保护与快速热响应之间取得了平衡。所制备的传感器在300–1200 °C范围内表现出稳定的热电特性，塞贝克系数（Seebeck coefficient）为41.26 μV/°C，线性拟合决定系数为0.9997，可在1200 °C下连续工作8小时而无信号中断。脉冲激光标定显示其特征响应时间约为187 μs，表明嵌入式接点结构具备亚毫秒级响应能力。独立标定结果显示在300–1000 °C范围内最大相对偏差低于0.47%。在受限爆炸环境中，该传感器成功记录了爆炸后的温度演变过程，测得约1289 °C的峰值温度，而采用不同安装方式的常规K型热电偶记录的峰值温度均低于800 °C。这些结果表明，所提出的陶瓷嵌入式接点热电偶通过整合结构优化、接点保护、快速响应和可靠测温能力，为受限爆炸环境中的局部瞬态温度测量提供了一种有效方法。