CN109945993B - 一种具有负极共用特征的自标定薄膜热电偶阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有负极共用特征的自标定薄膜热电偶阵列，所述热电偶阵列是一种实现多点测温的薄膜传感器，属于表面温度测量领域。本发明采用丝网印刷加工技术在直径为22mm的绝缘基底表面印刷8组相连的金铂薄膜热电偶阵列，这8组热电偶阵列在圆形基底表面等分均布，其中每组包括3个铂极共用的薄膜热电偶，对应的热结点等间距分布在铂极上。所述薄膜热电偶阵列的静态特性标定基于温度外推法。采用此发明可同步测量区域内多点温度变化，提供更准确的温度分布；同时负极共用的特点可有效减少引线数量。

Description

一种具有负极共用特征的自标定薄膜热电偶阵列

技术领域

本发明属于表面温度测量领域，涉及一种实现多点测温的自标定薄膜热电偶阵列。

背景技术

在表面测温领域，随着测温场合的不断变化，测温需求不断提高，薄膜热电偶阵列由于尺寸小，响应速度快以及可以同时实现多点测温的特点，在表面精密快速测温领域测有独特优势。为了实现小区域多点精确测温，设计一种小尺寸的具有多点测温功能的薄膜热电偶阵列是十分有必要的。且现有的薄膜热电偶阵列中每个热电偶均采用单独引线，引线数量多，连接困难。为了解决这一问题，本发明将铂电阻作为多个热电偶公用负极，显著减少了传感器引线。

准确标定薄膜热电偶阵列的静态特性是使用热电偶阵列实现高精度多点瞬态表面温度测量的前提。目前大部分热电偶阵列的静态特性标定方法仍采用普通丝式热电偶的标定方法，固定冷端温度，使热端恒定在不同温度场下，由标准铂电阻测得标定温度，建立热电偶阵列热电势和温度关系，从而实现标定。采用此方法标定的薄膜热电偶阵列对冷端和测量端的距离有一定的要求，只适用于大尺寸的薄膜热电偶及阵列。然而，现有商用化和研究的薄膜热电偶阵列大多具有尺寸小、热结点密度高等特点，有悖于上述标定方法的应用前提。

近年来，虽有一种基于温度外推法的静态特性标定方法应用于薄膜热电偶标定。其将点激光作为激励热源，根据传感器上集成的两个以激光中心为圆心的圆弧状铂电阻的温度结合温度外推模型推算出热电偶热结点的温度，同时测量热电偶的热电势从而实现薄膜热电偶静态特性的标定。但该方法以两个同心圆分布的铂电阻为前提，且处于圆心的热结点温度推算半径取值困难，易引入温度推算误差。为了解决这一问题，本发明将铂电阻作为热电偶阵列共用负极，且铂电阻沿基底半径方向分布，通过铂电阻阻值测量获取传感器温度场分布规律，实现阵列各热电偶结点温度推算。

发明内容

本发明公开了一种实现多点测温的负极共用薄膜热电偶阵列结构，并使用以温度外推法推算热结点温度为基础的静态特性标定方法及相应的实验系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种负极共用的自标定薄膜热电偶阵列，在绝缘基底上镀制8组相连的金铂薄膜热电偶组，每一组分为3个薄膜热电偶，公用一个铂极，形成的3个热结点等间距分布在铂极上。

所述8组薄膜热电偶组在直径为22mm的圆形绝缘陶瓷基底上等均分布并通过金线相连。

所述的薄膜热电偶包括金极、铂极和热电偶热结点，所述热电偶阵列通过丝网印刷技术印刷在氧化铝陶瓷基底上。

所述薄膜热电偶阵列的静态特性标定方法如下：以激光作为热激励源加载在传感器正面中心位置使温度梯度集中在传感器内，用信号采集电路记录不同热结点处的热电偶热电势，每个热电偶组根据两个薄膜铂电阻的温度分布特性结合温度分布模型实现热电偶热结点的温度推算，通过调节不同激光功率得到不同的热结点温度和对应的热电势，计算不同温度下的每一个薄膜热电偶塞贝克系数，实现薄膜热电偶阵列静态特性标定。

与上述方法对应的实验系统包括激光发射部分、传感器接收部分、信号采集部分以及信号处理部分。其中，激光发射部分主要包括激光发生器和激光控制器，通过激光控制器调节发出激光的功率，得到不同的温度场；传感器接收部分主要包括传感器、支架、导轨以及传感器转接板，支架和导轨用来保证传感器的中心位置和激光处于同一水平位置并且可以调整距离同时对传感器起到支撑作用，转接板用来固定传感器并通过探针引出补偿导线与信号处理电路相连；信号采集部分包括信号发生器、信号处理电路、NI USB-6259数据采集卡，标定时，由信号发生器发出的交流激励流过任意两个相邻的热电偶组，将这两个薄膜热电偶组里面每个薄膜热电偶、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；采集信号后在计算机中通过数字信号处理软件得到薄膜热电偶热电势和薄膜铂电阻阻值。由铂电阻阻值以及其温度分布规律结合温度推算模型得到热电偶热结点温度，调节激光功率根据薄膜热电偶热结点温度和热电势计算得不同温度下的各个薄膜热电偶塞贝克系数，实现薄膜热电偶阵列静态特性的标定。

本发明所述一种自标定薄膜热电偶阵列，其特征在于：在标定过程中，传感器上集成的薄膜铂电阻通过引线与信号处理电路相连接，实现薄膜铂电阻四线制测量。激励电流流过薄膜铂电阻与参考电阻相连，通过傅里叶变换得到铂电阻和参考电阻信号的频率，运用正交解调技术结合比率法测得薄膜铂电阻的阻值。

本发明所述的一种具有负极共用特征热电偶阵列的所有金极、铂极和薄膜铂电阻通过各自对应的引脚由高温探针通过转接板连接引线与信号处理电路相连接，实现每一路薄膜热电偶热电势测量以及薄膜热电偶阻值的测量。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明的薄膜热电偶阵列集成了24个金铂薄膜热电偶和16个薄膜铂电阻，在直径22mm的圆周范围内，实现多点温度测量。

2、本发明的薄膜热电偶阵列提出一种负极共用的特征，有效减少了引线分布，改善了接线复杂的问题。

3、在标定薄膜热电偶阵列时，根据薄膜铂电阻上的呈对数的温度分布特性结合温度推算模型可实现薄膜热电偶热结点温度推算。

附图说明

图1为一种具有负极共用特征的自标定薄膜热电偶阵列的整体结构俯视图。

图2为自标定薄膜热电偶阵列标定实验平台结构示意图。

图3为薄膜铂电阻R1的温度阻值曲线图。

图4为薄膜铂电阻R2的温度阻值曲线图。

图5为一个薄膜热电偶组的热电特性曲线图。

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所示，本发明中自标定薄膜热电偶阵列由8组铂极共用的金铂热电偶组组成，这些热电偶组1-2由金线1-11相连，其中每一组热电偶组分为3个薄膜热电偶。由金铂热结点(1-8、1-9、1-10)、铂极1-3、金极(1-4、1-5、1-6)及其对应的引脚1-7、线形沿传感器半径方向分布的薄膜铂电阻R1和R2(1-12和1-13)在绝缘陶瓷基底1-1上共同构成一组薄膜热电偶阵列。自标定薄膜热电偶阵列的基底直径是22mm，厚度为0.38mm，基底采用氧化铝陶瓷材料，热导率为36W/m·K。薄膜热电偶阵列的金极和铂极位于基底的上表面，膜厚10μm，极宽0.15mm。金极和铂极重合部分构成金铂热结点，面积是0.15mm×0.15mm，同一铂极上，相邻的两个金铂热结点相距2mm。

如图1所示，一种具有负极性共用特征的自标定薄膜热电偶阵列，在标定时，由信号发生器输出的交流激励通过一个薄膜热电偶组的铂极输入，由另外一个薄膜热电偶组的铂极流出，来实现铂电阻的四线制测量。

如图2所示，所述自标定薄膜热电偶阵列的标定系统分为四部分，激光发生部分1、传感器接收部分2、信号采集部分3、数据处理部分4。其标定的主要步骤为，首先做好前期准备工作，将传感器和激光器固定在导轨上，保证激光加载在传感器正面中心位置，连接激光器和激光控制器、连接传感器和转接板，引出补偿导线、连接补偿导线和信号处理电路、连接信号处理电路和信号采集卡、连接信号采集卡和计算机；其次设置信号发生器的输出模式为正弦信号，频率为25Hz，峰峰值为2.5V；最后，调整不同的激光功率，待温度场稳定后，采集并计算薄膜铂电阻阻值和各个薄膜热电偶热电势。对于得到的薄膜铂电阻阻值R1和R2，结合温度在铂电阻上对数分布，根据温度外推模型推算得到薄膜热电偶温度。推算模型为：

T(r)＝C₁lnr+C₂ (1)

铂电阻与温度的关系为：

R(t)＝R(0)[1+at+bt²] (2)

铂电阻的阻值由四线制测得，结合铂电阻上连续的温度分布，通过积分方程，表示出温度呈对数分布的铂电阻的阻值和半径的关系：

式中，a，b通过标定铂电阻得到，联立方程(1)和(3)，得到：

对于同一铂极上两个的薄膜铂电阻，使用的温度推算模型是一致的。

根据薄膜铂电阻半径r_R1和r_R2、和不同的阻值R_R1和R_R2，得到方程组：

由方程组求得外推模型系数C1和C2，最终得到温度外推公式：

T(r)＝C₁lnr+C₂

推算出不同半径热结点处的温度。再将薄膜热电偶温度结合对应的薄膜热电偶热电势，计算所标定的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的静态特性标定。

自标定薄膜热电偶阵列中的其中两个相邻的薄膜铂电阻R1和R2的温度阻值关系如图3和图4所示，线性度良好。

通过基于温度外推的静态特性标定方法标定薄膜热电偶阵列得到的热电特性曲线如图4所示，在室温至100摄氏度内薄膜热电偶阵列的热电特性良好。

本发明的自标定薄膜热电偶阵列优点包括：

(1)可在半径11mm的圆形范围实现多点测温。8组热电偶阵列按圆周等均分布，共计24个热电偶测温结点。

(2)负极共用的结构特点可以改善引线多、连线复杂的问题。

(3)可实现基于温度外推法的薄膜热电偶阵列静态特性标定。在沿基底半径方向上相邻的热结点之间通过阻值为1欧姆左右的薄膜铂电阻相连，在铂电阻上温度呈对数分布，静态标定时可通过薄膜铂电阻上的温度分布特性结合外推模型实现热结点温度推算，准确标定薄膜热电偶阵列静态特性，提高其测温精度。

(4)室温(20℃)至100℃热电特性良好。从标定得到的薄膜热电偶热阵列电特性曲线可知，薄膜热电偶在室温(20℃)至100℃的热电特性良好。

(5)薄膜铂电阻热电特性良好。薄膜铂电阻的热电特性良好，有助于提高推算薄膜热电偶温度的精度。

本发明陈述了一种自标定薄膜热电偶阵列，共由24个薄膜热电偶组成，分成8组，按圆周等分均布在氧化铝陶瓷基底上，每组由3个金铂薄膜热电偶组成，3个热电偶共用一个铂极，每相邻的两个热结点之间的铂电阻阻值约为1欧姆。通过两个薄膜铂电阻可实现基于温度外推法的薄膜热电偶阵列静态特性标定方法，准确标定薄膜热电偶阵列的热电特性。基于温度外推法的标定结果显示，自标定薄膜温度传感器中的薄膜热电偶阵列在室温(20℃)至100℃时热电特性良好，且集成的薄膜铂电阻热电特性也良好。

Claims (3)

1.一种具有负极共用特征的自标定薄膜热电偶阵列，其特征在于，它包括基底(1-1)，印刷于基底上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列由八个相互连接的相同的薄膜热电偶组(1-2)组成；每个薄膜热电偶组包括三个热电偶，由一个公用的A电极(1-3)和三个B电极(1-4、1-5、1-6)组成；所述A电极和B电极的三个接点(1-8、1-9、1-10)在A电极上等间距分布；所述A电极和三个B电极分别经过对应的焊盘(1-7)与各自的补偿导线连接；所述薄膜热电偶的A电极和B电极分别由铂和金构成，在铂极上三个热结点之间构成两个铂电阻(1-12、1-13)，该薄膜热电偶阵列采用以下方式标定：

以激光作为热激励源加载在自标定薄膜热电偶阵列正面中心位置使温度梯度集中在自标定薄膜热电偶阵列内，用信号采集电路记录不同热结点处的热电偶热电势，每个薄膜热电偶组根据两个薄膜铂电阻的温度分布特性结合温度分布模型实现热电偶热结点的温度推算，通过调节不同激光功率得到不同的热结点温度和对应的热电势，计算不同温度下的每一个薄膜热电偶塞贝克系数，实现薄膜热电偶阵列静态特性标定；

其中热电偶热结点的温度推算过程为：

设温度外推模型为：

t(r)＝C₁lnr+C₂ (1)

其中t(r)为热电偶热结点的温度，C₁和C₂为温度外推模型系数；

铂电阻与温度的关系为：

R(t)＝R(0)[1+at+bt²] (2)

铂电阻的阻值由四线制测得，结合铂电阻上连续的温度分布，通过积分方程表示温度呈对数分布的铂电阻的阻值和半径的关系：

式中，a，b通过标定铂电阻得到，联立方程(1)和(3)，得到：

对于同一铂极上的两个薄膜铂电阻，使用的温度外推模型是一致的，根据薄膜铂电阻半径r_R1和r_R2和不同的阻值R_R1和R_R2，得到方程组：

由方程组求得温度外推模型系数C₁和C₂，最终得到温度外推模型：

t(r)＝C₁lnr+C₂

依据温度外推模型推算出不同半径热结点处的温度。

2.如权利要求1所述的自标定薄膜热电偶阵列，其特征在于：每个铂电阻阻值为1欧姆。

3.如权利要求1所述的自标定薄膜热电偶阵列，其特征在于：所述的基底(1-1)采用圆形绝缘陶瓷基底，其直径为22mm。

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