薄膜热电偶动态特性标定技术研究现状

　　0　引　言

　　随着科学技术地不断进步与发展,人们对获取瞬态温度信息的要求不断提高,因而,各种各样的高瞬态测温仪应运而生。第二次世界大战期间,德国人 Hackemann提出薄膜热电偶的原理,并将研制成的薄膜热电偶(膜厚仅为2μm)用于测量枪膛在子弹射出后的壁温变化;其后,世界各地许多学者对薄膜 热电偶的结构、制备方法、性能和应用前景进行了大量研究工作,并取得了令人鼓舞的进展[1]。薄膜热电偶由于具有体积小、灵敏度高、便于安装、温度测量范 围宽、动态响应时间短等特点,适于测量物体表面和小间隙场所快速变化的温度,因而,广泛地应用在燃烧室壁面[2]、锻模工作表面[3]、切削刀尖[4]等 高速、高冲击恶劣环境下的瞬态温度测量。在瞬态温度测量中,若传感器动态性能不佳,就无法快速、准确地反映被测温度的变化,因而,需要对传感器的动态性能 进行研究,动态响应时间作为评*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60202012)价薄膜热电偶动态性能的主要指标,得到了研究人员的广泛关注。

　　1　薄膜热电偶动态标定技术

　　传统的普通丝式热电偶动态标定常用方法有3种:阶跃响应法、脉冲响应法和斜坡信号法,这些方法都是将热电偶的动态特性看成一阶惯性环节,由动态 校准实验曲线确定动态响应时间。薄膜热电偶由于与普通丝式热电偶结构、制造工艺的差异,其热结点多为微米量级,在对温度精度要求较高的场合,用上述方法标 定的动态特性必然会产生较大的相对误差而不适用。到目前为止,对薄膜热电偶动态标定尚未有统一的方法,所采用的实验方案较多。本文总结了薄膜热电偶动态标 定技术研究进展,对加速提出一种精度高的动态标定方法有指导作用。

　　1.1　动态时间常数测定实验方案

　　由于激光能够在微秒或纳秒内使材料表面产生瞬时温升,不少学者将激光作为对传感器加热的热源应用在薄膜热电偶动态校准实验方法中。

　　2000年, Serio等人[5]研制出一种金/钯薄膜热电偶,对薄膜热电偶进行理论热模型分析,得出热电偶的热力学数据用于计算动态响应时间。实验标定中,借助热辐 射通量来研究动态响应特性;标定方法是:氩激光器发射激光脉冲,激光能量大小由光电晶体管调制。调制好的激光束通过焦距长160mm的透镜聚焦,激光总能 量的10%经分光镜由激光能量仪测出大小,剩余光束照射到薄膜热电偶表面,热电偶产生温升,输出热电势信号经放大器和A/D转换后由计算机进行分析处理。 薄膜热电偶固定在支架上,支架通过激光束自准直仪能够独立地在x,y, z3个方向上转动,使薄膜热电偶始终置于激光能量最大处。研究表明:记录的频率响应曲线并不是薄膜热电偶自身的频率响应曲线,而是传感器与基体的频率响应 曲线。记录频率响应时间的95%更接近于热电偶本身的实际动态响应时间。由此实验装置测得宽8μm的金/钯薄膜热电偶响应时间约为1ms,理论计算与实验 结果基本一致。