CN108507706A - 一种微纳热电偶自动化批量标定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳热电偶自动化批量标定装置，包括温度标准器、恒温水浴槽、零度恒温器、控制器以及计算机；温度标准器、恒温水浴槽、零度恒温器与系统控制器连接，系统控制器与计算机连接。本发明的微纳热电偶支架，解决了现有标定方法无法固定微型无封装热电偶的问题，并且易于扩展为多根热电偶；采用多通道系统设计，相较于传统方法通过电压表只能一次记录单个值，可以在单次标定中同时对多根微纳热电偶进行测量；高度自动化设计，用户只需预先设定好相关参数，剩余工作自动完成，相较于传统的人工标定微纳热电偶方法，提高了标定效率和结果的可靠性。

Description

一种微纳热电偶自动化批量标定装置
技术领域
本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种微纳热电偶自动化批量标定装置。
背景技术
微纳热电偶是一种用于单细胞温度测量的传感器，属于同轴式薄膜热电偶，其测温敏感区域尺度为纳米尺度。宏观尺度下的热电偶，在使用确定的金属材料组成金属异质结后，其热电性质呈现出稳定性，与形貌没有关系。因此，均一性良好的宏观尺度热电偶无需单独标定每一根。但是，微纳热电偶的金属异质结处于微纳尺度，由于某些特殊的效应带来了热电性质在一定程度上的波动。另一方面，对单细胞温度测量具有较高的精度要求，这需要高质量、高精准的传感器。因此，对于微纳热电偶，需要对每一根单独标定获取其热电系数。
由于通常使用的热电偶传感部分都会封装起来保证稳定性，而微纳热电偶的传感部分为保证可以测量细胞温度，对其有尺度要求，因此不能进行封装。目前应用下并没有相应的标定用固定方法，并且现有技术中对微纳热电偶的标定方法，主要是通过人工设置参数、记录仪表读数，在测量多个温度点后拟合出热电系数。由于每一个温度点达到稳定需要一定的时间，且全过程需要有人值守，并且每根微纳热电偶的热电系数都需要获取，势必存在低效率、高错误率等问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种微纳热电偶自动化批量标定装置。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种微纳热电偶自动化批量标定装置，包括温度标准器、恒温水浴槽、零度恒温器、控制器和计算机；温度标准器、恒温水浴槽和零度恒温器分别与控制器连接，控制器与计算机连接；恒温水浴槽上方设置有标定支架，微纳热电偶连接器通过标定支架上的微纳热电偶连接器固定孔固定于标定支架，温度标准器的测温探头通过标定支架上的温度标准器固定孔固定于标定支架；微纳热电偶连接器中的每根微纳热电偶的正负极通过热电偶专用延长线连接出来，延长线的另一端与铜导线连接，置于零度恒温器中；计算机通过控制器的通信接口，发送或接收温度标准器、恒温水浴槽的控制信号及测量微纳热电偶输出的电压信号。
进一步地，所述控制器包括模拟信号处理部分和数字信号处理部分；模拟信号处理部分包括依次连接的多路差分模拟通道选择器、低通滤波器、仪表放大器、抗混叠滤波器以及模数转换器；数字信号处理部分包括多路差分模拟通道选择器、模数转换器、温度标准器通信接口、恒温水浴槽通信接口、计算机通信接口与微处理器；路差分模拟通道选择器、模数转换器、温度标准器通信接口、恒温水浴槽通信接口、计算机通信接口均与微处理器相连接；多路微纳热电偶的正负极对应接在多路差分模拟通道选择器输入端的正负极，通过微处理器控制多路差分模拟通道选择器选择其中一路热电偶信号输出。
进一步地，所述微纳热电偶连接器包括正极压块、负极压块及连接器主体；连接器主体上设置有第一开孔、第二开孔和第三开孔，第一开孔用于放置微纳热电偶，第二开孔用于放置正极接线，第三开孔用于放置负极接线；通过第一接触面与第二接触面的压合、第三接触面与第四接触面的压合进行微纳热电偶接线和固定微纳热电偶。
进一步地，所述热电偶专用延长线通过微纳热电偶连接器的正极压块、负极压块连接到微纳热电偶上。
进一步地，所述标定支架包括微纳热电偶连接器固定孔、托盘、透水孔及温度标准器固定孔。
有益效果：本发明的微纳热电偶专用连接器和标定支架，解决了小尺寸热电偶在标定过程中难以固定的问题；采用全自动化标定微纳热电偶，用户只需预先设定好相关参数，剩余工作自动完成，相较于目前采用人工方法标定微纳热电偶，提高了标定效率和标定结果可靠性；采用多通道采集系统设计，相较于目前采用单通道仪表获取微纳热电偶测量数值的方法，可以单次获取多个微纳热电偶数值并自动记录，提高了标定效率。
附图说明
图1是本发明的系统连接示意图；
图2是本发明的标定支架机械结构示意图；
图3是本发明的微纳热电偶连接器机械结构示意图；
图4是本发明的控制器结构图；
图5是本发明的控制软件算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的微纳热电偶自动化批量标定装置包括温度标准器17、恒温水浴槽18、零度恒温器21、控制器16和计算机15；温度标准器17、恒温水浴槽18和零度恒温器21分别与控制器16连接，控制器16与计算机15连接。
恒温水浴槽18上方设置有标定支架19，如图2所示，标定支架19包括微纳热电偶连接器固定孔1、托盘2、透水孔4及温度标准器固定孔3。微纳热电偶连接器20通过微纳热电偶连接器固定孔1固定于标定支架19上，温度标准器17的测温探头通过温度标准器固定孔3固定于标定支架19上。
如图3所示，微纳热电偶连接器20包括正极压块9、负极压块10及连接器主体5。微纳热电偶连接器主体5上设置有第一开孔6、第二开孔7和第三开孔8，第一开孔6用于放置微纳热电偶，第二开孔7用于放置正极接线，第三开孔8用于放置负极接线。通过第一接触面11与第二接触面12的压合、第三接触面13与第四接触面14的压合达到微纳热电偶接线和固定微纳热电偶的目的。
通过微纳热电偶连接器20可以较好的完成多根微纳热电偶的复杂连线，根据微纳热电偶的测量原理，每根微纳热电偶的正负极首先通过热电偶专用延长线连接出来，延长线通过微纳热电偶连接器20的正极压块9、负极压块10连接到微纳热电偶上，延长线的另一端与普通的铜制导线连接。微纳热电偶延长线和铜制导线的连接点，置于零度恒温器21中保持固定的温度。
微纳热电偶有工作端和参考端，其最终测量值以电压输出，测量值与工作端和参考端的温度差值有关系。通过零度恒温器21将参考端温度固定在零度，即可达到测量值为绝对温度值的目的。微纳热电偶是两线制传感器，分为正极和负极，通过测量正负极电压获取测量值。
由于微纳热电偶信号是μV级的，通过接入控制器16上的专用多通道微弱信号测量电路来获取并记录电压。
本发明所述的微纳热电偶自动化批量标定系统中，计算机15作为上位机，通过控制器16的通信接口，达到发送或接收温度标准器17、恒温水浴槽18及测量微纳热电偶输出的电压信号的目的。
如图4所示，控制器16包括模拟信号处理部分和数字信号处理部分。模拟信号处理部分包括依次连接的多路差分模拟通道选择器(MUX)、低通滤波器(LPF1)、仪表放大器(InsGain)、抗混叠滤波器(LPF2)以及模数转换器(ADC)。数字信号处理部分包括多路差分模拟通道选择器(MUX)、模数转换器(ADC)、温度标准器通信接口(CommPort1)、恒温水浴槽通信接口(CommPort2)、计算机通信接口(USB)与微处理器(MCU)；路差分模拟通道选择器(MUX)、模数转换器(ADC)、温度标准器通信接口(CommPort1)、恒温水浴槽通信接口(CommPort2)、计算机通信接口(USB)均与微处理器(MCU)相连接。
多路微纳热电偶的正负极对应接在多路差分模拟通道选择器(MUX)输入端的正负极，通过微处理器(MCU)控制多路差分模拟通道选择器(MUX)选择其中一路热电偶信号输出到DA、DB处理。
完成上述连接工作后，可以在计算机15上对编写好的控制程序进行设定。如图5所示，为控制程序的流程图。微纳热电偶的标定过程可以总结为记录给定的一些温度点下对应的电压，通过拟合的方式得到温度和电压关系，从而获知热电偶的性质。
一般对于温度点的给出为逐渐升温的方式，通过软件设置好标定起点温度和终止温度来设定温度点范围；通过设定好温度步进值来控制温度点的个数。进一步的再选择好接入设备的热电偶通道。以上部分即为参数设定。
开始进行标定后，通过判断是否到达设定的温度点来判断是否需要记录电压值。在完成某温度点对应电压值的记录后，发送指令升高温度到达下一个温度点。在完成所有的温度点记录后，系统自动分析数据并保存，完成微纳热电偶的自动化、批量标定。

Claims (5)

1.一种微纳热电偶自动化批量标定装置，其特征在于：包括温度标准器(17)、恒温水浴槽(18)、零度恒温器(21)、控制器(16)和计算机(15)；温度标准器(17)、恒温水浴槽(18)和零度恒温器(21)分别与控制器(16)连接，控制器(16)与计算机(15)连接；
恒温水浴槽(18)上方设置有标定支架(19)，微纳热电偶连接器(20)通过标定支架(19)上的微纳热电偶连接器固定孔(1)固定于标定支架(19)，温度标准器(17)的测温探头通过标定支架(19)上的温度标准器固定孔(3)固定于标定支架(19)；
微纳热电偶连接器(20)中的每根微纳热电偶的正负极通过热电偶专用延长线连接出来，延长线的另一端与铜导线连接，置于零度恒温器(21)中；
计算机(15)通过控制器(16)的通信接口，发送或接收温度标准器(17)、恒温水浴槽(18)的控制信号及测量微纳热电偶输出的电压信号。
2.根据权利要求1所述的微纳热电偶自动化批量标定装置，其特征在于：所述控制器(16)包括模拟信号处理部分和数字信号处理部分；
模拟信号处理部分包括依次连接的多路差分模拟通道选择器、低通滤波器、仪表放大器、抗混叠滤波器以及模数转换器；
数字信号处理部分包括多路差分模拟通道选择器、模数转换器、温度标准器通信接口、恒温水浴槽通信接口、计算机通信接口与微处理器；路差分模拟通道选择器、模数转换器、温度标准器通信接口、恒温水浴槽通信接口、计算机通信接口均与微处理器相连接；
多路微纳热电偶的正负极对应接在多路差分模拟通道选择器输入端的正负极，通过微处理器控制多路差分模拟通道选择器选择其中一路热电偶信号输出。
3.根据权利要求1所述的微纳热电偶自动化批量标定装置，其特征在于：所述微纳热电偶连接器(20)包括正极压块(9)、负极压块(10)及连接器主体(5)；连接器主体(5)上设置有第一开孔(6)、第二开孔(7)和第三开孔(8)，第一开孔(6)用于放置微纳热电偶，第二开孔(7)用于放置正极接线，第三开孔(8)用于放置负极接线；通过第一接触面(11)与第二接触面(12)的压合、第三接触面(13)与第四接触面(14)的压合进行微纳热电偶接线和固定微纳热电偶。
4.根据权利要求3所述的微纳热电偶自动化批量标定装置，其特征在于：所述热电偶专用延长线通过微纳热电偶连接器(20)的正极压块(9)、负极压块(10)连接到微纳热电偶上。
5.根据权利要求1所述的微纳热电偶自动化批量标定装置，其特征在于：所述标定支架(19)包括微纳热电偶连接器固定孔(1)、托盘(2)、透水孔(4)及温度标准器固定孔(3)。
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