一种基于温度外推法的薄膜热电偶静态特性标定方法

摘要

本发明公开了一种基于温度外推法的薄膜热电偶静态特性标定方法。本发明以激光作为标定激励源，根据传感器内集成薄膜铂电阻结合温度外推模型实现薄膜热电偶温度推算，根据数字正交解调技术同步测量薄膜铂电阻阻值和薄膜热电偶热电势，实现薄膜热电偶静态特性标定。所述方法将标定时的温度梯度集中在传感器上，使标定时温度分布与使用时一致，实现静态特性的准确标定。本发明通过改变激光器控制器的输出电流大小控制激光器出光功率，可实现不同温度下薄膜热电偶静态特性标定，相对于常规的薄膜热电偶静态特性标定装置，能够将温度梯度集中于传感器内避免补偿导线中温度梯度影响标定结果，具有标定准确度高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜热电偶的静态特性标定方法，特别是一种基于激光加热技术和温度外推法的薄膜热电偶静态特性标定方法及实验系统。

背景技术

现如今在机械制造、兵器科学等领域中物体表面温度测量有着重要作用，随着表面测温需求的不断提高，薄膜热电偶因其机械结构尺寸小、响应速度快等特点，在特殊场合快速表面测温领域有独特优势。使用薄膜热电偶准确测量瞬态表面温度的前提是准确标定其静态特性。普通丝式热电偶的油浴法静态标定过程是将其与标准铂电阻同置于恒温槽内，固定冷端温度并使测量端恒定在不同温度下，由标准铂电阻测得标定温度，建立热电偶的热电势与温度关系。采用此方法标定微小尺寸薄膜热电偶时，整个传感器被置于计量炉的均温场内，温度梯度主要集中在补偿导线上，与薄膜热电偶应用时的温度分布不一致，无法实现有效标定，影响薄膜热电偶在实际应用中的测温准确性。只有建立有效且准确的薄膜热电偶静态标定方法，才能准确评价其静态特性，从而进一步提高测温精度。

目前，对薄膜热电偶静态特性标定大部分均采用普通丝式热电偶的静态标定方法，或在该方法的基础上进行改进，但标定结果一定程度上反应了补偿导线的塞贝克系数，而非薄膜热电偶本身的塞贝克系数，即该方法无法准确标定薄膜热电偶静态特性。薄膜热电偶静态特性标定方法尚没有统一标准，缺乏相关理论基础和准确有效的实验途径，静态标定方法的缺失限制了薄膜热电偶在高精密检测领域的应用，因此，发明一种准确的薄膜热电偶静态特性标定方法对薄膜热电偶静态特性标定具有重要意义。

发明内容

针对这一问题，本发明公开了一种以激光加热薄膜热电偶热结点并使用温度外推法推算热结点温度为基础的薄膜热电偶静态特性标定方法及相应的实验系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：以激光器加热薄膜热电偶热结点处使得温度梯度集中在传感器内，作为薄膜热电偶静态标定系统的温度激励源，辅以信号处理与采集记录热电势，根据两个薄膜铂电阻温度结合温度推算模型可实现薄膜热电偶温度推算，调节激光功率根据薄膜热电偶热结点温度和热电势计算不同温度下的薄膜热电偶塞贝克系数，实现薄膜热电偶静态特性标定。

与上述方法相对应的实验系统包括激光器、激光器控制器、集成一个薄膜热电偶和两个薄膜铂电阻的自标定薄膜温度传感器、传感器固定支架、激光器固定支架、二维可调精密平台、一维导轨、恒温油槽、信号发生器、信号处理电路、NI USB-6259数据采集卡和计算机，所述的自标定薄膜温度传感器通过电缆依次与信号处理电路、NI USB-6259数据采集卡和计算机连接。所述的激光器与自标定薄膜温度传感器分别由激光器固定支架与传感器固定支架固定于一维导轨中，其中激光器通过二维可调精密平台与激光器固定支架连接，调节二维可调精密平台使激光器加热薄膜热电偶热结点中心，在所述自标定薄膜温度传感器中会形成稳定温度场，不同激光功率产生不同温度场，得到不同温度下的薄膜热电偶热电势和薄膜铂电阻温度。标定时，由信号发生器向自标定薄膜温度传感器提供一个交流激励，将薄膜热电偶、薄膜铂电阻信号分别接入信号处理电路后，由数据采集卡采集信号后在计算机中通过数字信号处理软件计算得到薄膜热电偶热电势和薄膜铂电阻温度，由薄膜铂电阻温度结合温度推算模型可得到薄膜热电偶温度，调节激光功率根据薄膜热电偶热结点温度和热电势计算不同温度下的薄膜热电偶塞贝克系数，实现薄膜热电偶静态特性标定。

本发明通过改变激光器控制器的输出电流大小控制激光器出光功率，可实现不同温度下薄膜热电偶静态特性标定，相对于常规的薄膜热电偶静态特性标定装置，能够将温度梯度集中于传感器内避免补偿导线中温度梯度影响标定结果，具有标定准确度高的特点。

本发明为实现静态标定方法，根据圆筒壁稳态导热模型设计制备了的一种自标定薄膜温度传感器，该传感器集成了一个金铂薄膜热电偶和两个圆环形薄膜铂电阻，标定时，根据两个薄膜铂电阻温度结合圆筒壁稳态导热模型推算得到薄膜热电偶热结点温度。

本发明标定时首先测量薄膜铂电阻温度时，将两个薄膜铂电阻与参考电阻串联，输入交流激励，通过傅立叶变换得到两个薄膜铂电阻和参考电阻信号的频率，运用正交解调技术并结合比率法测得两个薄膜铂电阻阻值。

本发明根据测得的两个薄膜铂电阻温度，结合温度推算模型(圆筒壁稳态导热模型)推算得到热结点温度，结合薄膜热电偶热电势实现静态特性标定。该方法能够避免接触式温度计对薄膜热电偶温度场造成破坏，提高薄膜热电偶静态特性标定准确度。

附图说明

图1是基于温度外推法的薄膜热电偶静态特性标定实验系统结构示意图。图中，1、激光器，2、激光器控制器，3、自标定薄膜温度传感器， 4、传感器固定支架，5、激光器固定支架，6、二维可调精密平台，7、一维导轨，8、恒温油槽，9、信号发生器，10、信号处理电路，11、NI USB-6259数据采集卡，12、计算机。

图2是自标定薄膜温度传感器结果示意图。图中，2-1为含有两个薄膜铂电阻(2-6和2-7)的铂电极，2-2为基底，2-3为薄膜热电偶热结点，2-4 为金电极，2-5为引脚。

图3是薄膜热电偶热电特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

如图1和图2所示，一种基于温度外推法的薄膜热电偶静态特性标定实验系统，包括激光器1、激光器控制器2、自标定薄膜温度传感器3、传感器固定支架4、激光器固定支架5、二维可调精密平台6、一维导轨7、恒温油槽8、信号发生器9、信号处理电路10、NI USB-6259数据采集卡11和计算机12。所述的自标定薄膜温度传感器是在绝缘底层基底2-2上一次镀制有金极2-4(带有引脚2-5)与铂极2-1，两电极相接触的结点即为热电偶热结点2-3；所述的金极、铂极和热电偶热结点称为热电偶；所述热电偶在铂极上串接有两个不同半径的半圆弧形薄膜铂电阻2-6、 2-7，所述的半圆弧形薄膜铂电阻的圆心位于热电偶热结点的中心位置。

所述的激光器与自标定薄膜温度传感器分别由激光器固定支架与传感器固定支架固定于一维导轨中，其中激光器通过二维可调精密平台与激光器固定支架连接，调节二维可调精密平台使激光器加热薄膜热电偶热结点中心，在所述自标定薄膜温度传感器中会形成稳定温度场，不同激光功率产生不同温度场，得到不同温度下的薄膜热电偶热电势和薄膜铂电阻温度。标定时，由信号发生器向自标定薄膜温度传感器提供一个交流激励，将薄膜热电偶、薄膜铂电阻信号分别接入信号处理电路后，由数据采集卡采集信号后在计算机中计算得到薄膜热电偶热电势和薄膜铂电阻温度，由薄膜铂电阻温度结合温度推算模型(圆筒壁稳态导热模型)可得到薄膜热电偶温度，调节激光功率根据薄膜热电偶热结点温度和热电势计算不同温度下的薄膜热电偶塞贝克系数，实现薄膜热电偶静态特性标定。

所述的一种基于温度外推法的薄膜热电偶静态特性标定方法，其实验步骤说明如下：

A.将自标定薄膜温度传感器3通过传感器支架4固定在一维导轨7上。

B.连接激光器1与激光器控制器2，将激光器1固定于二维可调精密平台7之上通过激光器支架6固定在一维导轨7上。

C.调节二维可调精密平台7将激光器使激光对准自标定薄膜温度传感器3背面中心位置。

D.连接自标定薄膜温度传感器3中的引线与信号处理电路10，其中热电偶两端信号由补偿导线延伸至恒温油槽8后接入信号处理电路 10。

E.设置信号发生器9的输出模式为正弦信号，频率为25Hz，峰峰值为 3.5V，将信号发生器9、信号处理电路10、数据采集卡11和计算机12依次连接。

F.设置恒温油槽8温度为0℃。

G.打开激光器1加热自标定薄膜温度传感器3，待温度场稳定后，薄膜热电偶受热产生热电势，两个薄膜铂电阻受热阻值会发生改变，热电势与铂电阻信号经信号处理电路10放大滤波后由数据采集卡11 采集。

H.在计算机12内对采集得到的薄膜热电偶信号、薄膜铂电阻和参考电阻信号分别进行处理，推算薄膜热电偶温度并计算薄膜热电偶塞贝克系数，具体说明如下：测得的薄膜铂电阻阻值R_PRT1和R_PRT2，根据薄膜铂电阻温度阻值关系计算可得薄膜铂电阻温度T_PRT1和T_PRT2，根据薄膜铂电阻温度结合温度推算模型推算薄膜热电偶温度，推算模型为：

T(r)＝C₁lnr+C₂(1)

根据两个薄膜铂电阻温度、薄膜铂电阻半径r_R1和r_R2，解方程组

式中：C₁、C₂为外推系数，解方程组可得

将外推系数C₁和C₂代入公式(3)，可得薄膜热电偶测量端温度推算公式

T(r)＝C₁lnr+C₂(4)

将热结点半径代入公式(2-7)，即可求得薄膜热电偶的热结点温度。再将薄膜热电偶温度结合薄膜热电偶热电势，计算薄膜热电偶温度热电势曲线斜率得薄膜热电偶在不同温度下的塞贝克系数。根据不同温度下的塞贝克系数实现薄膜热电偶静态特性标定。

对自标定薄膜温度传感器进行静态特性标定，传感器机械结构图如图 2所示。选择波长为532nm最大功率3W的激光器作为激励热源，得到薄膜热电偶热电特性曲线如图3所示。

实验结果表明，本发明公开的标定方法和实验系统可实现室温(20℃) 至200℃的薄膜热电偶静态特性标定。同时相对油浴法静态标定方法，能够使得温度梯度集中在传感器中，避免补偿导线中的温度梯度对标定结果的影响，准确标定薄膜热电偶静态特性。

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