燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器及制备方法与流程

1.本技术涉及燃料在线监测技术领域，特别涉及一种燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器及制备方法。


背景技术：

2.固体火箭发动机的内弹道是其重要的性能指标。在固体火箭发动机的设计过程中，由于固体火箭发动机特有的工作方式，一般无法直接对内弹道曲线进行控制，而必须依靠对药柱形状、材质的设计来获得预期的内弹道。
3.在典型的药柱设计流程中，设计人员首先依据期望的内弹道给出初步设计，随后对发动机内弹道进行仿真预示，根据预示结果反复调整药柱设计，直至预示结果贴近于期望的内弹道。但是，发动机工作时各种推进剂燃速影响因子在空间上的分布不可能完全均匀，发动机各处的实际推进剂燃速也就必然存在着差异。
4.实现药柱燃面位置的实时定量化测量，可以有效提高发动机内弹道的预测精度，对发动机的设计有着极大的现实意义和实用价值。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器及制备方法，实现药柱燃面位置的实时定量化测量。
6.第一方面，提供了一种燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器，其包括：
7.衬底；
8.柔性电容传感器，所述柔性电容传感器设于所述衬底上；
9.封装涂层，所述封装涂层封装于所述柔性电容传感器表面；
10.以及，所述柔性电容传感器上还具有引线端子，所述引线端子用于连接导线，以使所述柔性电容传感器与电容检测模块形成回路。
11.一些实施例中，所述柔性电容传感器包括若干个沿着所述柔性电容传感器的长度方向间隔分布的电容阵列，且各个所述电容阵列均具有两个引线端子，并用于连接导线，以使所述电容阵列与电容检测模块形成独立的回路。
12.一些实施例中，所述电容阵列包括两条平行的引线，以及位于两条所述引线之间的若干个叉指电极器件，其中一部分所述叉指电极器件的一端连接其中一条引线，另一部分所述叉指电极器件的一端连接另一条引线，沿所述引线的延长方向，所述引线上的叉指电极器件与另一所述引线上的叉指电极器件交叉分布；
13.每一所述引线的末端形成有一用于连接一根导线的引线端子。
14.一些实施例中，所述电容阵列的两条引线中，其中一条为公用引线，另一条为独立引线，且各所述电容阵列的公用引线为同一条引线；
15.和/或，所述叉指电极器件采用银浆、铜浆或银浆和铜浆形成的混合电浆制造；
16.和/或，所述引线采用银浆、铜浆或银浆和铜浆形成的混合电浆制造；
17.和/或，相邻的两个所述叉指电极器件之间的间距为200μm；
18.和/或，相邻的两个所述电容阵列之间的间距为5mm；
19.和/或，所述电容阵列有两个，且宽度不同，其中一个电容阵列的两条引线之间的距离为2.6mm，叉指电极器件的长度为2.5mm，另一个电容阵列的两条引线之间的距离为1.6mm，叉指电极器件的长度为1.5mm。
20.一些实施例中，各所述电容阵列的宽度不同，且沿着所述柔性电容传感器的长度方向，各所述电容阵列按其照宽度大小依次排列。
21.一些实施例中，所述封装涂层采用凝胶电解液；
22.和/或，所述衬底采用聚酰亚胺薄膜、pet或pp；
23.和/或，所述引线端子的长*宽为3mm*1mm；
24.和/或，所述柔性电容传感器的长*宽为100mm*5mm。
25.第二方面，提供了一种如上所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器的制备方法，其包括：
26.在衬底上印制柔性电容传感器；
27.在柔性电容传感器上进行封装，形成封装涂层，得到柔性牺牲式电容传感器。
28.一些实施例中，在衬底上印制柔性电容传感器，包括如下步骤：
29.将导电浆料印刷至衬底上，并加热烧结，以使导电浆料固化在衬底上，形成柔性电容传感器。
30.一些实施例中，导电浆料的粘度为8000～12000cps，加热烧结包括：加热时间为20～50min，加热温度为100～140℃。
31.一些实施例中，在柔性电容传感器上进行封装，形成封装涂层，包括如下步骤：
32.在柔性电容传感器上涂刷凝胶电解液，干燥后形成封装涂层。
33.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
34.本技术提供的柔性牺牲式电容传感器实际进行固体发动机在线监测时，可以将多个柔性牺牲式电容传感器呈圆周阵列均匀贴附在药柱的端面上，柔性牺牲式电容传感器的长度方向与药柱的半径方向一致，柔性牺牲式电容传感器末端贴近药柱内孔，引线端贴近药柱侧面，每个柔性牺牲式电容传感器从引线端引出导线连接电容检测模块，药柱从药柱内孔开始向外燃烧，燃烧过程中柔性电容传感器随药柱被烧毁，检测得到的电容值不断变化，根据电容值可以计算出传感器燃烧的长度，建立柔性电容传感器电容阻值与燃面退移距离的关系曲面，通过多个柔性牺牲式电容传感器测量得到的长度可以拟合出药柱燃面的位置，实现燃面退移的实时监测。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本技术实施例提供的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器的结构示意图；
37.图2为本技术实施例提供的柔性电容传感器的结构示意图；
38.图3为本技术实施例提供的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器工作时的安装示意图。
39.图中：1、衬底；2、柔性电容传感器；20、电容阵列；200、叉指电极器件；201、公用引线；202、独立引线；203、引线端子；3、封装涂层；4、电容检测模块；5、导线；6、药柱；60、药柱内孔。
具体实施方式
40.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.参见图1、图2和图3所示，本技术实施例提供了一种燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器，其包括衬底1、柔性电容传感器2和封装涂层3，柔性电容传感器2设于衬底1上，封装涂层3封装于柔性电容传感器2表面；柔性电容传感器2上还具有引线端子203，引线端子203用于连接导线5，以使柔性电容传感器2与电容检测模块4形成回路。
42.本技术提供的柔性牺牲式电容传感器实际进行固体发动机在线监测时，可以将多个柔性牺牲式电容传感器呈圆周阵列均匀贴附在药柱6的端面上，柔性牺牲式电容传感器的长度方向与药柱6的半径方向一致，柔性牺牲式电容传感器末端贴近药柱内孔60，引线端贴近药柱侧面，每个柔性牺牲式电容传感器从引线端引出导线连接电容检测模块4，药柱6从药柱内孔60开始向外燃烧，燃烧过程中柔性电容传感器2随药柱被烧毁，检测得到的电容值不断变化，根据电容值可以计算出传感器燃烧的长度，建立柔性电容传感器电容阻值与燃面退移距离的关系曲面，通过多个柔性牺牲式电容传感器测量得到的长度可以拟合出药柱燃面的位置，实现燃面退移的实时监测。
43.上述封装涂层3可以采用凝胶电解液，能有效提高离子间运动的稳定性。
44.衬底1为聚合物薄膜，可以采用聚酰亚胺薄膜、pet或pp以及薄膜类绝缘材料，聚酰亚胺薄膜具有良好的耐辐射性与电气绝缘性，能在高温燃烧环境下被烧毁，进而影响传感器的电容阻值变化。
45.上述引线端子203的长*宽尺寸可以根据实际需要设计，比如，作为一个示例，长*宽为3mm*1mm；
46.上述柔性电容传感器2的宽*长尺寸可以根据实际需要设计，比如，作为一个示例，长*宽为100mm*5mm。
47.柔性电容传感器2可以包括一个电容阵列20，电容阵列20呈长条状，此时柔性电容传感器2具有两条引线，该两条引线为电容阵列20的两条引线。
48.柔性电容传感器2也可以包括多个沿着柔性电容传感器2的长度方向间隔分布的电容阵列20，此时柔性电容传感器2具有的引线数量至少有三条，且各个电容阵列20均具有两个引线端子203，并用于连接导线5，以使电容阵列20与电容检测模块4形成独立的回路，各个电容阵列20互不干扰。
49.具体地，参见图2所示，电容阵列20包括两条平行的引线，以及位于两条引线之间
的若干个叉指电极器件200，叉指电极器件200平行间隔分布，相邻的两个叉指电极器件200之间的间距可以根据实际测量需要确定，比如相邻的两个叉指电极器件200之间的间距为200μm，叉指电极器件200可以采用银浆、铜浆或混合电浆制造，混合电浆比如是银浆和铜浆形成的，叉指电极器件200通过丝网印刷制备，且使其长度均匀、宽度均匀，保证在电容阵列中电容容抗一致，引线也可以采用银浆、铜浆或混合电浆制造，混合电浆比如是银浆和铜浆形成的，其中一部分叉指电极器件200的一端连接其中一条引线，另一部分叉指电极器件200的一端连接另一条引线，沿引线的延长方向，引线上的叉指电极器件200与另一引线上的叉指电极器件200交叉分布；每一引线的末端形成有一用于连接一根导线5的引线端子203。
50.相邻的两个电容阵列20之间的间距可以根据实际测量需要确定，比如相邻的两个电容阵列20之间的间距为5mm。
51.参见图2所示，在同样长度的情况下，柔性电容传感器2采用一个电容阵列20，则并联的电容过多，检测电容变化可能存在不明显，而若采用三个及以上的电容阵列20，则末端引线端子过多、占用尺寸多大，可能不满足小尺寸设计要求。
52.因此，为了兼具性能，并降低制备难度，降低传感器的尺寸，参见图2所示，电容阵列20的两条引线中，其中一条为公用引线201，另一条为独立引线202，且各电容阵列20的公用引线201为同一条引线。
53.为了使得独立引线202走直线，长度更短，方便布线，进一步地降低制备难度，降低传感器的尺寸，参见图2所示，各电容阵列20的宽度不同，且沿着柔性电容传感器2的长度方向，各电容阵列20按其照宽度大小依次排列。
54.作为一个优选方案，参见图2所示，电容阵列20有两个，且宽度不同，其中一个电容阵列20的两条引线之间的距离为2.6mm，叉指电极器件200的长度为2.5mm，另一个电容阵列20的两条引线之间的距离为1.6mm，叉指电极器件200的长度为1.5mm。
55.本技术实施例还提供了一种上述燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器的制备方法，其包括如下步骤：
56.101：在衬底1上印制柔性电容传感器2。
57.102：在柔性电容传感器2上进行封装，形成封装涂层3，得到柔性牺牲式电容传感器。
58.其中，步骤101中，在柔性电容传感器2上进行封装，具体包括如下步骤：制备丝网网版，通过丝网印刷技术将低温导电浆料比如银浆、铜浆或混合电浆印刷至衬底1上，并加热烧结，以使导电浆料固化在衬底1上，形成柔性电容传感器2。
59.其中，导电浆料的粘度可以根据实际制备需要选择，比如，作为一个示例，导电浆料的粘度为8000～12000cps，加热烧结包括加热时间和加热温度，具体的数据可以根据实际制备需要选择，比如，作为示例，加热时间为20～50min，加热温度为100～140℃。
60.其中，步骤101中，在柔性电容传感器2上进行封装，形成封装涂层3，包括如下步骤：
61.在柔性电容传感器2上涂刷凝胶电解液，干燥后形成封装涂层3。
62.可见，本技术提供的柔性牺牲式电容传感器，通过检测燃烧过程中电容的变化，来检测燃面位置，传感器与药柱端面共形贴附，使反馈信号更加精准，解决了传统温控传感器
因高温烧毁无法监控高温高压的极端环境的情况。
63.本技术借助多个电容阵列配合可实现长距离燃面位置监测。
64.本技术传感器体积小，制造工艺简单，材料易获得，极大节省了制作成本。
65.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
66.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
67.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器，其特征在于，其包括：衬底(1)；柔性电容传感器(2)，所述柔性电容传感器(2)设于所述衬底(1)上；封装涂层(3)，所述封装涂层(3)封装于所述柔性电容传感器(2)表面；以及，所述柔性电容传感器(2)上还具有引线端子(203)，所述引线端子(203)用于连接导线(5)，以使所述柔性电容传感器(2)与电容检测模块(4)形成回路。2.如权利要求1所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器，其特征在于：所述柔性电容传感器(2)包括若干个沿着所述柔性电容传感器(2)的长度方向间隔分布的电容阵列(20)，且各个所述电容阵列(20)均具有两个引线端子(203)，并用于连接导线(5)，以使所述电容阵列(20)与电容检测模块(4)形成独立的回路。3.如权利要求2所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器，其特征在于：所述电容阵列(20)包括两条平行的引线，以及位于两条所述引线之间的若干个叉指电极器件(200)，其中一部分所述叉指电极器件(200)的一端连接其中一条引线，另一部分所述叉指电极器件(200)的一端连接另一条引线，沿所述引线的延长方向，所述引线上的叉指电极器件(200)与另一所述引线上的叉指电极器件(200)交叉分布；每一所述引线的末端形成有一用于连接一根导线(5)的引线端子(203)。4.如权利要求3所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器，其特征在于：所述电容阵列(20)的两条引线中，其中一条为公用引线(201)，另一条为独立引线(202)，且各所述电容阵列(20)的公用引线(201)为同一条引线；和/或，所述叉指电极器件(200)采用银浆、铜浆或银浆和铜浆形成的混合电浆制造；和/或，所述引线采用银浆、铜浆或银浆和铜浆形成的混合电浆制造；和/或，相邻的两个所述叉指电极器件(200)之间的间距为200μm；和/或，相邻的两个所述电容阵列(20)之间的间距为5mm；和/或，所述电容阵列(20)有两个，且宽度不同，其中一个电容阵列(20)的两条引线之间的距离为2.6mm，叉指电极器件(200)的长度为2.5mm，另一个电容阵列(20)的两条引线之间的距离为1.6mm，叉指电极器件(200)的长度为1.5mm。5.如权利要求2所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器，其特征在于：各所述电容阵列(20)的宽度不同，且沿着所述柔性电容传感器(2)的长度方向，各所述电容阵列(20)按其照宽度大小依次排列。6.如权利要求1所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器，其特征在于：所述封装涂层(3)采用凝胶电解液；和/或，所述衬底(1)采用聚酰亚胺薄膜、pet或pp；和/或，所述引线端子(203)的长*宽为3mm*1mm；和/或，所述柔性电容传感器(2)的长*宽为100mm*5mm。7.一种如权利要求1所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器的制备方法，其特征在于，其包括：在衬底(1)上印制柔性电容传感器(2)；在柔性电容传感器(2)上进行封装，形成封装涂层(3)，得到柔性牺牲式电容传感器。8.如权利要求7所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器的制备方法，其特
征在于，在衬底(1)上印制柔性电容传感器(2)，包括如下步骤：将导电浆料印刷至衬底(1)上，并加热烧结，以使导电浆料固化在衬底(1)上，形成柔性电容传感器(2)。9.如权利要求8所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器的制备方法，其特征在于：导电浆料的粘度为8000～12000cps，加热烧结包括：加热时间为20～50min，加热温度为100～140℃。10.如权利要求7所述的燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器的制备方法，其特征在于，在柔性电容传感器(2)上进行封装，形成封装涂层(3)，包括如下步骤：在柔性电容传感器(2)上涂刷凝胶电解液，干燥后形成封装涂层(3)。

技术总结
本申请涉及一种燃面实时位置反馈的柔性牺牲式电容传感器及制备方法，柔性电容传感器设于衬底上，封装涂层封装于柔性电容传感器表面，柔性电容传感器上还具有引线端子，引线端子用于连接导线，以使柔性电容传感器与电容检测模块形成回路。监测时，将其贴附在药柱的端面上，末端贴近药柱内孔，引线端贴近药柱侧面，从引线端引出导线连接电容检测模块，药柱从药柱内孔开始向外燃烧，燃烧过程中柔性电容传感器随药柱被烧毁，检测得到的电容值不断变化，根据电容值可以计算出传感器燃烧的长度，建立柔性电容传感器电容阻值与燃面退移距离的关系曲面，通过柔性牺牲式电容传感器测量得到的长度可以拟合出药柱燃面的位置，实现燃面退移的实时监测。的实时监测。的实时监测。


技术研发人员：胡夏芬 叶冬 文钧民 武丹 李之辉 孙立 周睿 司学龙
受保护的技术使用者：湖北航天技术研究院总体设计所
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/6/27