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毕业设计（论文）薄膜热电偶及其静动态特性测试方法综述a\系部:班级:姓名:学号:指导教师:摘要：介绍了薄膜热电偶的发展状况，对薄膜热电偶的静、动态特性参数测试方法进行了综 述关键词：薄膜热电偶；静态特性；动态特性0引言为适应现代化生产的快速要求，加工设备的运行速度越来越快，这就要求对其运行状况 进行监控的测试设备特别是传感器的响应时间很短例如在进行化爆材料切削的时候，需要 对切削温度进行监控，温度传感器的响应时间应该在毫秒级以便当切削温度达到规定的极 限温度之前能及时停机而保证安全生产目前，快速响应的温度测量传感器有用于脉动气流的电阻温度计⑴；改进的丝•式热电偶 ⑵；高速热辐射探测器；光纤传感器⑶等但用得最多的还是薄膜热电偶，薄膜热电偶的响 应时间可达微秒级［38】薄膜热电偶是一种先进的测量瞬变温度的传感器特别是在内燃机活塞顶血和燃烧室壁 面、枪炮膛内壁、锻膜表面等瞬态温度测试中近年来获得了广泛的应用它的原理是由德国 人P.Hackemann"8］于第二次代界大战期间提出，并研制成第一•批薄膜热电偶（其薄膜厚度为2 U m）,用于测量枪膛在了弹射出后壁温的变化薄膜热电偶的测温原理与普通丝式热电偶 相似，由于薄膜热电偶的热接点多为微米级的薄膜，与普通热电偶比较，它具有热容量小、 响应迅速等特点，所以能够准确地测量瞬态温度的变化。

50年代初，美国人D.Bendersky根据P.Hackernann提出的原理制作的薄膜热电偶，其 热接点竦膜厚度为lum,测得了弹发射所引起的壁温变化率为800 F/mso 60年代，口本 小栗达、原正键等人研制成夹板式薄膜热电偶，用于测定内燃机壁面的瞬变温度在我国， 由中国科学院工程热物理研究所与重庆仪表研究所协作，试制成用于测量发动机壁面瞬变温 度的薄膜热电偶1薄膜热电偶静态特性标定方法薄膜热电偶是一种能量转换型传感器，它把被测物理量温度转换成热电势输出因此在 使用之前必须对其进行标定，得出温度与热电势的关系特性曲线，从而得到薄膜热电偶传感 器的灵敏度薄膜热电偶静态标定通常是在WJT-2型热电偶校验装置中进行［9 17- 181o薄膜热电偶 放入YT-8B管式炉中加热，管式炉炉温由标准钮钵一钮热电偶控制，热电偶冷端分别插入 装有变压器油的试管中，试管置于有冰水混合物的冰瓶以保持冷端温度为0笆静态标定从200C开始，每隔100C标定一个点，一直标定到合适温度为止2薄膜热电偶动态特性标定方法随着温度传感器应用范围的开拓，人们除关心其灵敏度，噪声等效功率（NEP）,归一化探 测率D*及热稳定性等参数以外，愈来愈关注它对快速变化温度的响应特性。

为此要对薄膜 热电偶进行动态标定，测出它的响应时间丝式热电偶动态特性标定时常用的方法有3种:阶跃信号法、脉冲信号法和斜坡信号法 由于热电偶动态时间常数非常小，用上述传统标定方法，必然产生很大的误差因为很难产 生与薄膜热电偶动态时间常数相适应的温度阶跃信号的前沿或脉冲信号的持续时间，采用斜 坡信号标定时也很难测定与薄膜热电偶动态时间常数相对应的温度响应滞后量因薄膜热电 偶常附着在特定的基体上，传统的标定方法也很难消除基体热容对薄膜热电偶动态特性的影 响所以通常采用以下儿种方法对薄膜热电偶动态特性进行标定1、脉冲激光器2、分光镜3、硅光电二极管4、薄膜热电偶5、双线示波器6、照相机图1 准矩形激光脉冲法测试原理框图由PIJ-Nd欲玻璃脉冲激光器发射准矩形激光脉冲激光光束由分光镜分为两束：一束 被PIN硅光电二极管（动态响应时间W20ns）接收，另一•束投射到薄膜热电偶的热接点上, 产生的热电势与硅光电二极管输出一并送入SBR.I型双线示波器示波器的Y通道带宽N20MHz,灵敏度可达200u V/cm； X轴扫描速度可达1 U s/cm,并可扩展2()倍通过计 算用装有高速感光底片的照相机从示波器上拍摄的薄膜热电偶和徒光电二极管同时测取的 激光脉冲波形，即可求得薄膜热电偶的动态响应时间常数T 9 2 17. 18］。

由于激光器发出的是准矩形脉冲，脉冲前沿过宽，与理想的脉冲信号不同，因此会带来 误差激光器的脉冲选择不合适，容易造成薄膜层的开裂和基体热容对动态响应的影响2.2可调Q值脉冲激光法为了保证所测响应时间丁的精度，热辐射源选用脉冲持续时间短于T 一•个数量级的可调 Q值红外激光脉冲辐射，或主动锁模产生的超短激光脉冲辐射(持续时间VI ns)示波器 带宽的倒数也需小于T 一个数量级如果传感器的响应很小，须在示波器前增加前置放大器 时，此放大器的带宽也应与示波器的带宽相当可调Q值脉冲激光法测试原理框图如图2所示用一台较大功率且可调Q值的脉冲 激光器作为热源，调节Q值以获得合适的脉冲激光垂直照射到薄膜热电偶的镀膜层表面， 膜层表面在瞬间吸收激光的能量，产生瞬时高温，并以热传导方式向薄膜内部传递，使热电 偶感受到温升产生电压信号输出用频带宽、精度高的红外测温仪测取薄膜热电偶镀膜层表 面的瞬时温升，并以此作为动态校准的输入信号，利用双通道瞬态波形记录仪同进记录薄膜 热电偶和红外测温仪的输出信号根据记录的波形便可计算出薄膜热电偶的动态响应时间常 数t "叽图2可调Q值脉冲激光法测试原理框图2.3电加热法有文献指出：“在异常薄(厚— 0)的金属箔中，瞬时通电所产生的热脉冲，热源 一下了发出的热量Q在一。

的近乎瞬间内，由于来不及发散传播，必然使热源所在处 木身在昼 范围内升温S0=Q/ (pCpAx),既然Q不可能无限大，E 尽管很小，毕竟尚 非0,这个$ 就只能是有限值疽据此原理，设想将薄膜热电偶的感温膜同时作为加热膜， 突然接通加热电路，则在薄膜瞬时产生一热源，相当于给膜而一阶跃温升，如果在瞬间接通 又断开，则相当于给膜面一温度脉冲变化处于烘箱中的薄膜热电偶受热后产生的热电势信 号经偏压电路和FY73型交直流放大器放大后送入SRB型双综示波器，从示波器上薄膜热 电偶的阶跃电流加热响应曲线或脉冲电流加热响应曲线，可根据其上升沿宽度计算出薄膜热 电偶的动态响应时间常数t o电加热法动态标定系统框图网如图3所示/烘箱I 1图3 电加热法测试原理框图2.4快速升温法快速升温法四的测试原理框图如图4所示当接通电键7,接触器5动作，吸下衔铁，盛放薄膜热电偶的绝热盒1的门3被软线8 牵引而突然掉下同时航灯4的强光照射到薄膜热电偶2热接点上，产生温度突然跃升由 记录仪11绘出薄膜热电偶的动态响应曲线为了准确地捕捉到响应信号，利用接触器的一 组触点6作为示波器10的采样触发开关图4中9为DFG-1型多通道隔离放大器，内有 测量放大器和传递放大器。

4 5 7图4 快速升温法测试原理框图3结论薄膜热电偶测温传感器具有快速响应的特点，其时间常数可达微秒级，广泛应用于内燃 机壁面、枪炮膛内壁、锻膜表血、特殊切削等表面温度及瞬态温度测量对薄膜热电偶静态 特性进行标定时，通常采用与钮钵一铀标准热电偶进行比较的方法，得出薄膜热电偶输出的 热电势与输入温度之间的关系曲线对薄膜热电偶进行动态标定时，由于薄膜热电偶的时间 常数很小，因此除了要有时间响应快的标定设备外，需解决的关键问题是给薄膜热电偶热接 点施加的温度脉冲信号应持续很短的时间或阶跃信号应有尽量陡峭的前沿常用的加热方法 有激光加热法和电加热法参考文献[1]陆月芸.一种用于脉动气流的快速响应电阻温度计.宇航计测技术.1996, 16(2)： 36〜39⑵ P.Beckman , R.P.Roy , V.Velidandia , M.Capizzanl . An improved fast-response microthermocouple. Review of Scientific Instruments. 1995, 66(9): 4371-4373[3] 秦永列.表面温度测量.中国计量出版社.1989, 12[4] Kenneth GKreider , Frank DiMeo . Platinum/palladium thin-film thermocouples for temperature measurements on silicon wafers. Sensors and Actuators A. 1998, 69(1)： 46〜52[51 Jih-Fen Lei, Herbert A. Will. Thin-film thermocouples and strain-gauge technologies for engine applications. Sensors and Actuators A. 1998, 69(2)： 187〜193[6] Kenneth G.Kreider, Greg Gillen. High temperature materials for thin-film thermocouples on silicon wafers. Thin Solid Films. 2000, 376(1)： 32〜37[7] Himanshu D.Bhatt, Ramakrishna Vedula Vedula, Seshu B.Desu et aL. La(l — x)SrxCoO3 forthin film thermocouple applications. Thin Solid Films. 1999, 350(2)： 249〜257 5[8] Himanshu D.Bhatt, Ramakrishna Vedula Vedula, Seshu B.Desu etc.. Thin film TiC/TaCthermocouples. Thin Solid Films. 1999, 342(2)： 249〜257[9] B.serio, Ph.Nika, J.P.Prenel. Static and dynamic calibration of thin-film thermocouples by means of a laser modulation technique- Review of Scientific Instruments. 2000, 71(11)： 4306〜4313[10] Francis E.Kennedy, Dan Frusescu, Jianying Li. Thin film thermocouple arrays for sliding surface temperature measurement. Wear. 1997,207(1)： 46〜54[11] 李付国，黄吕权，解亚军等.薄膜热电偶动态特性研究.仪器仪表学报.1996, 17 (3)： 316〜318[12] 水金城，陈武军.准矩形激光脉冲对薄膜热电偶传感器响应时间的测量.光电了 •激 光.1994, 5 (3)： 154〜157[13] 钱兰，陈宁.薄膜热电偶动态响应特性的实验研究.内燃机学报.1998, 16(2)： 251〜 253[14] 雷敏，王志电 马勤弟等.薄膜热电偶的动态特性及动态补偿研究.计量学报.1999,20 (3)： 182〜186[15] 马勤弟,雷敏.薄膜热电偶的动态校准及辨识建模.仪器仪表学报・1999, 20 (3)： 300〜302[16] 刘裕光，姜恩永，刘明升等.对向靶溅射制备NiCr-NiSi薄膜热电偶的动态特性研究.真空科学与技术.1995, 15 (5)： 317〜320[171黄吕权，李付国.薄膜热电偶。