CN114624283A - 基于tmp117的高精度热流参数测量设备的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种校准精度不随线材因素影响、校准可靠稳定的基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法。高精度热流参数测量设备包括工控机、测量模组、倍福控制器以及TMP117控制板，倍福控制器以和TMP117控制板均与工控机通信连接，测量模组包括测试夹具，测试夹具上分别设置有与待测产品配合的第一传导块和第二传导块，第一传导块和第二传导块内均设置有与TMP117控制板电信号连接的TMP117传感器，测量模组的两组TMP117传感器进行传感器校准，并建立热模型通过至少两种标准标定块装载至测量模组进行测试获取基准数据，通过获取的基准数据进行校准参数的计算，其中校准参数包括比例系数、接触热阻以及热损耗。本发明应用于测量设备校准的技术领域。

Description

基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法

技术领域

本发明应用于测量设备校准的技术领域,特别涉及一种基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法。

背景技术

随着科技的发展目前穿戴式移动终端有很多具备测温功能，其中做的非常好的就会同时具备包括外部环境温度测量和人体内部自身温度测量两个监测功能的存在。穿戴终端产品要分别精准的测量出两个温度，这就要求内部两个热传感器相互之间不会受到热导影响，即人体穿戴时候的体温不会传导影响到环境温度传感器，相对环境温度也不会影响到人体温度传感器，两个热传感器分别设置在产品的两面；因热流串扰的因素，目前国内穿戴设备测量温度同时又测量环境的产品不多见，针对这类智能穿戴设备的热流高精测量目前还没有在市面上出现。为了确定智能穿戴设备的两个温度传感器不相互影响，需要确定产品本身的热阻，但是由于待测产品的由不同零部件连接而成，每个零部件的材料不同，故而导致无法根据产品的材料直接确定热阻，需要将待测产品进行整体测试获得等效热阻来确定。由于待测产品与测试夹具之间存在接触热阻，会降低测试精确度，故而需要在测试前对传感器以及系统整体进行校准。

目前热参测量设备的温度测量传感器主要是NTC热敏电阻、RTD电阻温度检测器、TC热电偶这几种，有源温度传感器因为其调试技术要求高等原因市场极少使用。其中，采用TC传感器校准后的补偿线不能够更改，否则要重新进行校准才能保证测温精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种校准精度不随线材因素影响、校准可靠稳定的基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法。

本发明所采用的技术方案是：所述高精度热流参数测量设备包括工控机、测量模组、倍福控制器以及TMP117控制板，所述倍福控制器和所述TMP117控制板均与所述工控机通信连接，所述倍福控制器与所述测量模组的温度模块电信号连接，所述测量模组包括测试夹具，所述测试夹具上分别设置有与待测产品顶部和底部配合的第一传导块和第二传导块，所述第一传导块和所述第二传导块内均设置有TMP117传感器，两组所述TMP117传感器均与所述TMP117控制板电信号连接，所述校准方法包括以下步骤：

步骤A、首先对所述测量模组的两组所述TMP117传感器进行传感器校准；

步骤B、建立热模型，并通过至少两种标准标定块装载至所述测量模组进行测试获取基准数据，通过获取的基准数据进行校准参数的计算，其中校准参数包括将输入电压转换为热流密度的比例系数S和待测产品界面层的接触热阻Rc以及因泄漏产生的热损耗Qloss；

其中步骤A中温度校准流程包括以下细分步骤：

步骤A1、首先准备可控温度的恒温水槽、校准支架、温度校准仪表以及标定块，将两组所述TMP117传感器分别装载固定在所述第一传导块和所述第二传导块中，并对线束和装载口做好密封处理；

步骤A2、完成所述TMP117传感器装载后，将标定块装入所述校准支架，并将所述第一传导块和所述第二传导块装入所述校准支架并夹紧所述标定块，安装后将两组所述TMP117传感器的线束连接至所述TMP117控制板上，所述TMP117控制板、所述恒温水槽以及所述温度校准仪表均与所述工控机通信连接；

步骤A3、将装配后的所述校准支架和所述温度校准仪表的温度探头放入所述恒温水槽中；

步骤A4、所述工控机对所述恒温水槽内的加热器进行阶梯温度控制，并获取不同温度下所述TMP117控制板以及所述温度校准仪表的温度数据；

步骤A5、将同一温度下所述温度校准仪表读取的基准值和所述TMP117控制板读取的温度值进行比较，将两组数据进行最小二乘后生成偏移因子，其中偏移因子包括增益Gain和偏置offset，将获取的偏移因子存入对应的所述TMP117传感器的储存器中，在进行测试时所述TMP117传感器根据公式：真值=测量值*Gain-offset，进行补偿；

步骤A6、完成校准后，将所述校准支架从所述恒温水槽中取出，并将所述第一传导块和所述第二传导块从所述校准支架拆卸取出，清洁后装载在所述测试夹具。

由上述方案可见，通过对所述TMP117传感器进行校准，进而保证测试时能够准确获取待测产品两个端面的温度数据，进而与系统中其他数据配合计算获取穿戴设备更准确的热阻数据。再通过建立热模型并将热参数可计算获得的标定块装载进所述高精度热流参数测量设备进行测试，进而获取设备工作所需的校准数据。所述第一传导块和所述第二传导块均用于传导温度，保证所述TMP117传感器能准确获取温度数据。通过恒温水槽提供一个恒定的温度环境，并通过所述温度校准仪表进行标准的温度数据获取，通过接收所述温度校准仪表的标准数据对所述TMP117传感器的数据进行校准。通过进行阶梯温度控制实现模拟多组温度环境，通过采集多组温度数据保证数据的准确性。获取校准参数后将校准参数写入所述TMP117传感器的存储器中，实现直接反馈校准后的真值。

一个优选方案是，通过线性回归函数slope求出增益Gain的值，通过截距函数intercept求出偏置offset的值。

由上述方案可见，通过线性回归函数slope和截距函数intercept求出增益Gain和偏置offset，用来补偿所述TMP117传感器的误差和测量环路中的非线性失真。

一个优选方案是，步骤A3中所述温度校准仪表设有两组所述温度探头，放入所述校准支架和两组所述温度探头时，所述校准支架居中放置，两组所述温度探头均匀分布在所述恒温水槽中。

由上述方案可见，通过该放置方式保证校准数据更稳定、准确。

一个优选方案是，所述测量模组还包括隔热壳体和冷却温控平台，所述冷却温控平台设置在所述隔热壳体内，所述冷却温控平台与所述隔热壳体内壁之间填充有气凝胶，所述冷却温控平台与外部的制冷机连通，所述冷却温控平台的冷却回路上设置有与所述倍福控制器电信号连接的温度传感器，所述测试夹具还包括设置在所述第一传导块上的薄膜加热器，所述薄膜加热器和所述第一传导块之间设置有热电发生器，所述薄膜加热器和所述热电发生器均与所述倍福控制器电信号连接。

由上述方案可见，所述隔热壳体和所述气凝胶均用于隔离外界干扰，通过所述冷却温控平台进行所述隔热壳体内的温度控制，进而模拟出一个稳定的外界温度。通过所述温度传感器检测所述冷却温控平台的模拟温度。由设置在所述第一传导块上的薄膜加热器发热模拟人体热源，进而实现更真实的模拟使用环境。所述热电发生器用于检测热流并转换成电动势反馈至所述倍福控制器。

一个优选方案是，所述步骤B包括以下细分步骤：

步骤B1、根据测试时产品连接状态建立热模型，所述热模型包括所述薄膜加热器的热源Qin、所述第一传导块与待测产品的接触热阻RcA、待测产品的等效热阻Requ以及所述第二传导块与待测产品的接触热阻RcB，其中RcA、Requ以及RcB组成热模型的完整热阻。另外，还包括热泄漏、所述冷却温控平台的热损耗以及所述热电发生器的热损耗；

步骤B2、由所述热模型可得待测产品的热流为

-表达式1，

待测产品装夹在所述测试夹具的接触热阻Rc为

-表达式2，

由所述热模型可得接触热阻Rc与待测产品的等效热阻Requ关系为

，

-表达式3，

其中，Qheatflux为所述热电发生器检测的热流量，VTEG为所述热电发生器生产的热电动势，待测产品与所述第一传导块的接触面为A面，待测产品与所述第二传导块的接触面为B面，TA为所述第一传导块与待测产品接触面的温度，TB为所述第二传导块与待测产品接触面的温度，通过获取接触热阻Rc和输入电压转换为热流密度的比例系数S的值，实现在测试时进行校准，对待测产品的等效热阻Requ的值进行补偿，进而获取更准确的测量值；

步骤B3、通过热性能已知的铝标定块和乙缩醛树脂标定块作为所述标准标定块代入表达式3中，可得铝块和乙缩醛树脂的接触热阻Rc的理论公式为

-表达式4；

步骤B4、校准时分别将铝标定块和乙缩醛树脂标定块装载在所述高精度热流参数测量设备中进行检测，此时可得

-表达式5，

-表达式6，

其中VTEG_Al为铝标定块在所述测试夹具中使用所述热电发生器测量获得的电压值，VTEG_Del为乙缩醛树脂标定块在所述测试夹具中使用所述热电发生器测量获得的电压值，TA_Al、TB_Al为铝标定块在所述测试夹具中使用通过两组所述TMP117传感器获得的接触面温度值，TA_Del、TB_Del为乙缩醛树脂标定块在所述测试夹具中使用通过两组所述TMP117传感器获得的接触面温度值；

步骤B5、通过热阻计算公式可得铝标定块的接触热阻Rc_Al和乙缩醛树脂标定块的接触热阻Rc_Del分别为

-表达式7，

-表达式8，

其中QAl与QDel分别为铝标定块和乙缩醛树脂标定块的总的耗散功率，通过QDel与QAl作差获得接触热损耗；

步骤B6、通过已知的铝标定块和乙缩醛树脂标定块两种标定块的面积和导热系数可求解出对应的热阻RAl和RDel，将铝标定块热阻RAl、乙缩醛树脂标定块热阻RDel以及由表达式7和8测量计算获得的接触热阻Rc_Al和接触热阻Rc_Del代入算式

-表达式9，

-表达式10，

，

获得b和c的值，通过a、b、c的代入二次方程公式中求解获得接触热阻Rc，二次方程公式为

-表达式11，

步骤B7、热损耗QLoss的计算，装载乙缩醛树脂标定块进行测试，设置所述薄膜加热器控制所述第一传导块的温度为40°C，设置所述冷却温控平台控制所述第二传导块为30°C，然后通过所述TMP117测量获取乙缩醛树脂标定块上A面和B面的实际温度Ta、Tb，乙缩醛树脂标定块的热阻RDel_CAL根据规格可求得，通过热阻RDel_CAL代入表达式1计算获得热流通量QDel_CAL，然后用所述倍福控制器获取乙缩醛树脂标定块测量热流通量时的PWM电流控流比

及计算出总的耗散功率QDel，用总的耗散功率QDel减去QDel_CAL就得到了QLoss热损耗的值

-表达式12；

步骤B8、由表达式4可得

-表达式13，

-表达式14，

代入上述步骤获得的QLoss、QDel以及QAl计算获得比例系数S；

步骤B9、将获得比例系数S、接触热阻Rc的校准参数存入所述高精度热流参数测量设备的存储器中，进行测试时测量DUT时，所述高精度热流参数测量设备将会获取待测产品上A面和B面的温度值TA、TB以及热电发生器VTEG数据，然后将存入设备指定地址的校准值S参数和Rc参数调出，一起带入表达式3中计算获得待测产品的等效热阻Requ。

由上述方案可见，通过建立热模型判断热量传递状态，进而明确校准参数的获取方式。通过热流公式确定各参数与校准参数的关系，通过装载两种及以上的标定块获取测试数据，进而通过测试数据推导校准参数，并写入设备中在测试时调用。

一个优选方案是，步骤B5中铝标定块的热流通量QAl和乙缩醛树脂标定块的热流通量QDel计算式为

-表达式15，

-表达式16，

其中0.24为热功当量，

为使用乙缩醛树脂标定块测量热流通量时的PWM电流控流比，

为铝标定块测量热流通量时的PWM电流控流比，PWM电流控流比在所述倍福控制器中读取，

为所述薄膜加热器的直流电阻，

为PWM驱动负载电流终端的电流校正因子 ，数值为0.989。

一个优选方案是，步骤B5中通过通过获得两次的数据采集，用表达式15和表达式16计算出铝标定块和乙缩醛树脂标定块的热通量值，最后求热通量平均值

-表达式17，

-表达式18。

由上述方案可见，为了减小环境等干扰因素的影响，实际应用中我们可以通过获得两次或多次PWM电流控流比的数据采集，进而取平均值保证数据的准确性和稳定性。

附图说明

图1是所述TMP117传感器的校准流程图；

图2是本发明校准结构的结构示意图；

图3是所述恒温水槽的控温流程示意图；

图4是所述高精度热流参数测量设备的结构示意图；

图5是所述热模型示意图。

具体实施方式

如图1所示，在本实施例中，所述高精度热流参数测量设备包括工控机1、测量模组2、倍福控制器3以及TMP117控制板4，所述倍福控制器3以和所述TMP117控制板4均与所述工控机1通信连接，所述倍福控制器3与所述测量模组2的温度模块电信号连接，所述测量模组2包括测试夹具，所述测试夹具上分别设置有与待测产品顶部和底部配合的第一传导块5和第二传导块6，所述第一传导块5和所述第二传导块6内均设置有TMP117传感器7，两组所述TMP117传感器7均与所述TMP117控制板4电信号连接，所述TMP117传感器7包括两组TMP117芯片，TMP117芯片为TI半导体公司生产的高精度、低功耗、数字温度传感器，读取精度0.1°C读取范围为–20°C 到 +50°C，数字分辨率16位: 0.0078°C ，1 LSB，I2C通讯方式，且内置有48位通用存储器。所述TMP117传感器7的数字分辨率最低有效位温度可以达到0.0078°C，根据自身测量设备的实际使用情况，我们合理使用校准的方法将可以使TMP117读取25°C到40°C范围的温度精度达到0.01°C,最终将校准后的增益Gain参数和offset偏置参数写入TMP117的存储器内。所述倍福控制器3包括包括ELM3704、EL2535等模组。

所述校准方法包括以下步骤：

步骤A、首先对所述测量模组2的两组所述TMP117传感器7进行传感器校准；

步骤B、建立热模型，并通过至少两种标准标定块装载至所述测量模组2进行测试获取基准数据，通过获取的基准数据进行校准参数的计算，其中校准参数包括将输入电压转换为热流密度的比例系数S和待测产品界面层的热接触热阻Rc以及因泄漏产生的热损耗Qloss；

其中步骤A中温度校准流程包括以下细分步骤：

步骤A1、如图2所示，首先准备可控温度的恒温水槽8、校准支架9、温度校准仪表10以及标定块，将两组所述TMP117传感器7分别装载固定在所述第一传导块5和所述第二传导块6中，并对线束和装载口做好密封处理，所述温度校准仪表10的型号为FLUKE 1524，所述恒温水槽8与所述倍福控制器3电信号连接，所述恒温水槽8为福禄克恒温水槽fluke7008-25；

步骤A2、完成所述TMP117传感器7装载后，将标定块装入所述校准支架9，并将所述第一传导块5和所述第二传导块6装入所述校准支架9并夹紧所述标定块，安装后将两组所述TMP117传感器7的线束连接至所述TMP117控制板4上，所述TMP117控制板4、所述恒温水槽8以及所述温度校准仪表10均与所述工控机1通信连接；

步骤A3、将装配后的所述校准支架9和所述温度校准仪表10的温度探头放入所述恒温水槽8中，所述温度校准仪表10设有两组所述温度探头，放入所述校准支架9和两组所述温度探头时，所述校准支架9居中放置，两组所述温度探头均匀分布在所述恒温水槽8中，所述温度探头为福禄克fluke 5642-D测温探头；所述TMP117传感器7的高精校准时间比较长，整个过程大于12小时，为提高工作效率可以采用多通道同时校准的方法，所述TMP117控制板4的最大连接为32*2个通道，通过所述TMP117控制板4可以实现同时校准32组A面加B面的温度传感器；所述TMP117传感器7引出导线数量相对较多，进行多通道校准时，导线应固定在校准支架的框架上，并引出放置好，且所述恒温水槽8内水面高度必须超过所述校准支架9中所有的模组；另外，根据所述恒温水槽8的体积可以设置多组所述温度校准仪表10；

步骤A4、如图3所示，所述工控机1对所述恒温水槽8内的加热器进行阶梯温度控制，从室温开始到40°，每个温度下读取20分钟，获取不同温度下所述TMP117控制板4以及所述温度校准仪表10的温度数据并记录误差值；完成一组温度校准后检测循环是否完成，未完成这根据设定调整温度进行下一组测试，完成则进入结束步骤，温度设置过程如下：25°C、30°C 、35°C 、40°C 、25°C 、30°C 、35°C 、40°C 、27°C 、32°C 、37°C 、结束；

步骤A5、将同一温度下所述温度校准仪表10读取的基准值和所述TMP117控制板4读取的温度值进行比较，将两组数据进行最小二乘后生成偏移因子，其中偏移因子包括增益Gain和偏置offset，将获取的偏移因子存入对应的所述TMP117传感器7的储存器中，在进行测试时所述TMP117传感器7根据公式：真值=测量值*Gain-offset，进行补偿；

下表1是例举测温过程的实际测量回读到的数据，将温度校准仪表10读取的温度值即表1的平均值栏作为基准值，和所述TMP117控制板4读取的数字温度传感器的温度值即表1的TMP117_1、TMP117_2栏进行比较，将两组数据进行最小二乘后生成偏移因子，表1的增益Gain和偏置offset栏，用来补偿TMP117数字温度传感器的误差和测量环路中的非线性失真。如表1测试数据，利用线性回归函数slope求出Gain值，Gain=SLOPE(平均值25：40,TMP117 25：40)，利用截距函数intercept求出offset值，offset=INTERCEPT(平均值25：40,TMP117 25：40)；

表1.校准测量温度数据

下表2的数据为使用所述TMP117控制板4同时采集32组数字传感器的校准数据，也将写入对应芯片的存储器里面；

表2. 32*2通道TMP117 数字温度传感器校准数据

步骤A6、完成校准后，将所述校准支架9从所述恒温水槽8中取出，并将所述第一传导块5和所述第二传导块6从所述校准支架9拆卸取出，清洁后装载在所述测试夹具。

如图4所示，所述测量模组2还包括隔热壳体11和冷却温控平台12，所述冷却温控平台12设置在所述隔热壳体11内，所述冷却温控平台12与所述隔热壳体11内壁之间填充有气凝胶，所述冷却温控平台12与外部的制冷机连通，所述冷却温控平台12的冷却回路上设置有与所述倍福控制器3电信号连接的温度传感器，所述测试夹具还包括设置在所述第一传导块5上的薄膜加热器13，所述薄膜加热器13和所述第一传导块5之间设置有热电发生器14，所述薄膜加热器13和所述热电发生器14均与所述倍福控制器3电信号连接。

设备系统校准的目的是消除设备与设备之间以及设备系统本身器件精度造成的测量误差。因测量设备本身的热损耗Qloss、待测产品和测量设备接触的热阻Rc,以及测量设备电路本身电子器件、温度传感器等的误差精度以及测量芯片的长期漂移和温度迟滞产生的误差，都可以通过系统校准的方法去解决。所述步骤B包括以下细分步骤：

步骤B1、如图5所示，根据测试时产品连接状态建立热模型，所述热模型包括所述薄膜加热器13的热源Qin、所述第一传导块5与待测产品的接触热阻RcA、待测产品的等效热阻Requ以及所述第二传导块6与待测产品的接触热阻RcB，其中RcA、Requ以及RcB组成热模型的完整热阻；

步骤B2、由所述热模型推导可得待测产品的热流为

-表达式1，

待测产品装夹在所述测试夹具的接触热阻Rc为

-表达式2，

由所述热模型可得接触热阻Rc与待测产品的等效热阻Requ关系为

，

-表达式3，

其中，Qheatflux为所述热电发生器14检测的热流量，VTEG为所述热电发生器14生产的热电动势，待测产品与所述第一传导块5的接触面为A面，待测产品与所述第二传导块6的接触面为B面，TA为所述第一传导块5与待测产品接触面的温度，TB为所述第二传导块6与待测产品接触面的温度，通过获取接触热阻Rc和输入电压转换为热流密度的比例系数S的值，实现在测试时进行校准，对待测产品的等效热阻Requ的值进行补偿，进而获取更准确的测量值；

步骤B3、需要加工两种以上不同材料制成外形和待测产品相同的标定块，两种标定块具有不同导热系数，来对检测设备进行特征参数标定。所使用的这两种材料导热性需要一种低于待测产品的整体导热系数和另一种高于待测产品的整体导热系数通过。本实施例中两个材料分别是铝Al的k为205,Delrin乙缩醛树脂的k为0.36。

如下表3中列举，使用公式

计算标准标定块金属铝和Delrin的热阻，Aavg=0.5（A面区域+B面区域）：

表3. 材料热系数和对应热阻

将热性能已知的铝标定块和乙缩醛树脂标定块作为所述标准标定块代入表达式3中；

可得铝块和乙缩醛树脂的接触热阻Rc的理论公式为

-表达式4；

步骤B4、校准时分别将铝标定块和乙缩醛树脂标定块装载在所述高精度热流参数测量设备中进行检测，此时可得

-表达式5，

-表达式6，

其中VTEG_Al为铝标定块在所述测试夹具中使用所述热电发生器14测量获得的电压值，VTEG_Del为乙缩醛树脂标定块在所述测试夹具中使用所述热电发生器14测量获得的电压值，TA_Al、TB_Al为铝标定块在所述测试夹具中使用通过两组所述TMP117传感器7获得的接触面温度值，TA_Del、TB_Del为乙缩醛树脂标定块在所述测试夹具中使用通过两组所述TMP117传感器7获得的接触面温度值；

步骤B5、通过热阻计算公式可得铝标定块的接触热阻Rc_Al和乙缩醛树脂标定块的接触热阻Rc_Del分别为

-表达式7，

-表达式8，

其中QAl与QDel分别为铝标定块和乙缩醛树脂标定块的总的耗散功率，通过QDel与QAl作差获得接触热损耗；铝标定块的热流通量QAl和乙缩醛树脂标定块的热流通量QDel计算式为

-表达式15，

-表达式16，

其中0.24为热功当量，

为使用乙缩醛树脂标定块测量热流通量时的PWM电流控流比，

为铝标定块测量热流通量时的PWM电流控流比，PWM电流控流比在所述倍福控制器3中读取，

为所述薄膜加热器13的直流电阻，

为PWM驱动负载电流终端的电流校正因子 ，数值为0.989；

另外，步骤B5中通过通过获得两次的数据采集，用表达式15和表达式16计算出铝标定块和乙缩醛树脂标定块的热通量值，最后求热通量平均值，

-表达式17，

-表达式18；

步骤B6、通过已知的铝标定块和乙缩醛树脂标定块两种标定块的面积和导热系数可求解出对应的热阻RAl和RDel，将铝标定块热阻RAl、乙缩醛树脂标定块热阻RDel以及由表达式7和8测量计算获得的接触热阻Rc_Al和接触热阻Rc_Del代入算式

-表达式9，

-表达式10，

，

获得b和c的值，通过a、b、c的代入二次方程公式中求解获得接触热阻Rc，二次方程公式为

-表达式11；

步骤B7、热损耗QLoss的计算，装载乙缩醛树脂标定块进行测试，设置所述薄膜加热器13控制所述第一传导块5的温度为40°C，设置所述冷却温控平台12控制所述第二传导块6为30°C，然后通过所述TMP117测量获取乙缩醛树脂标定块上A面和B面的实际温度Ta、Tb，乙缩醛树脂标定块的热阻RDel_CAL根据规格可求得，通过热阻RDel_CAL代入表达式1计算获得热流通量QDel_CAL，然后用所述倍福控制器3获取乙缩醛树脂标定块测量热流通量时的PWM电流控流比

及计算出总的耗散功率QDel，用总的耗散功率QDel减去QDel_CAL就得到了QLoss热损耗的值

-表达式12；

步骤B8、由表达式4可得

-表达式13，

-表达式14，

代入上述步骤获得的QLoss、QDel以及QAl计算获得比例系数S；

步骤B9、将获得比例系数S、接触热阻Rc的校准参数存入所述高精度热流参数测量设备的存储器中。

进行测试时测量DUT时，所述高精度热流参数测量设备将会获取待测产品上A面和B面的温度值TA、TB以及热电发生器14VTEG数据，然后将存入设备指定地址的校准值S参数和Rc参数调出，一起带入表达式3中计算获得待测产品的等效热阻Requ。

此时我们可以根据已知的待测产品高度

（表1中例举为15mm）以及热导率公式获得等效热导率的计算式

-表达式19；

完成测试后，将测量过程中的

在测量数据表格中打印输出。

Claims (7)

1.基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法，其特征在于，所述高精度热流参数测量设备包括工控机（1）、测量模组（2）、倍福控制器（3）以及TMP117控制板（4），所述倍福控制器（3）和所述TMP117控制板（4）均与所述工控机（1）通信连接，所述倍福控制器（3）与所述测量模组（2）的温度模块电信号连接，所述测量模组（2）包括测试夹具，所述测试夹具上分别设置有与待测产品顶部和底部配合的第一传导块（5）和第二传导块（6），所述第一传导块（5）和所述第二传导块（6）内均设置有TMP117传感器（7），两组所述TMP117传感器（7）均与所述TMP117控制板（4）电信号连接，所述校准方法包括以下步骤：

步骤A、首先对所述测量模组（2）的两组所述TMP117传感器（7）进行传感器校准；

步骤B、建立热模型，并通过至少两种标准标定块装载至所述测量模组（2）进行测试获取基准数据，通过获取的基准数据进行校准参数的计算，其中校准参数包括将输入电压转换为热流密度的比例系数S和待测产品界面层的接触热阻Rc以及因泄漏产生的热损耗Qloss；

其中步骤A中温度校准流程包括以下细分步骤：

步骤A1、首先准备可控温度的恒温水槽（8）、校准支架（9）、温度校准仪表（10）以及标定块，将两组所述TMP117传感器（7）分别装载固定在所述第一传导块（5）和所述第二传导块（6）中，并对线束和装载口做好密封处理；

步骤A2、完成所述TMP117传感器（7）装载后，将标定块装入所述校准支架（9），并将所述第一传导块（5）和所述第二传导块（6）装入所述校准支架（9）并夹紧所述标定块，安装后将两组所述TMP117传感器（7）的线束连接至所述TMP117控制板（4）上，所述TMP117控制板（4）、所述恒温水槽（8）以及所述温度校准仪表（10）均与所述工控机（1）通信连接；

步骤A3、将装配后的所述校准支架（9）和所述温度校准仪表（10）的温度探头放入所述恒温水槽（8）中；

步骤A4、所述工控机（1）对所述恒温水槽（8）内的加热器进行阶梯温度控制，并获取不同温度下所述TMP117控制板（4）以及所述温度校准仪表（10）的温度数据；

步骤A5、将同一温度下所述温度校准仪表（10）读取的基准值和所述TMP117控制板（4）读取的温度值进行比较，将两组数据进行最小二乘后生成偏移因子，其中偏移因子包括增益Gain和偏置offset，将获取的偏移因子存入对应的所述TMP117传感器（7）的储存器中，在进行测试时所述TMP117传感器（7）根据公式：真值=测量值*Gain-offset，进行补偿；

步骤A6、完成校准后，将所述校准支架（9）从所述恒温水槽（8）中取出，并将所述第一传导块（5）和所述第二传导块（6）从所述校准支架（9）拆卸取出，清洁后装载在所述测试夹具。

2.根据权利要求1所述的基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法，其特征在于：通过线性回归函数slope求出增益Gain的值，通过截距函数intercept求出偏置offset的值。

3.根据权利要求1所述的基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法，其特征在于：步骤A3中所述温度校准仪表（10）设有两组所述温度探头，放入所述校准支架（9）和两组所述温度探头时，所述校准支架（9）居中放置，两组所述温度探头均匀分布在所述恒温水槽（8）中。

4.根据权利要求1所述的基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法，其特征在于：所述测量模组（2）还包括隔热壳体（11）和冷却温控平台（12），所述冷却温控平台（12）设置在所述隔热壳体（11）内，所述冷却温控平台（12）与所述隔热壳体（11）内壁之间填充有气凝胶，所述冷却温控平台（12）与外部的制冷机连通，所述冷却温控平台（12）的冷却回路上设置有与所述倍福控制器（3）电信号连接的温度传感器，所述测试夹具还包括设置在所述第一传导块（5）上的薄膜加热器（13），所述薄膜加热器（13）和所述第一传导块（5）之间设置有热电发生器（14），所述薄膜加热器（13）和所述热电发生器（14）均与所述倍福控制器（3）电信号连接。

5.根据权利要求4所述的基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法，其特征在于，所述步骤B包括以下细分步骤：

步骤B1、根据测试时产品连接状态建立热模型，所述热模型包括所述薄膜加热器（13）的热源Qin、所述第一传导块（5）与待测产品的接触热阻RcA、待测产品的等效热阻Requ以及所述第二传导块（6）与待测产品的接触热阻RcB，其中RcA、Requ以及RcB组成热模型的完整热阻；

步骤B2、由所述热模型可得待测产品的热流为

（表达式1），

待测产品装夹在所述测试夹具的接触热阻Rc为

（表达式2），

由所述热模型可得接触热阻Rc与待测产品的等效热阻Requ关系为

，

（表达式3），

其中，Qheatflux为所述热电发生器（14）检测的热流量，VTEG为所述热电发生器（14）生产的热电动势，待测产品与所述第一传导块（5）的接触面为A面，待测产品与所述第二传导块（6）的接触面为B面，TA为所述第一传导块（5）与待测产品接触面的温度，TB为所述第二传导块（6）与待测产品接触面的温度，通过获取接触热阻Rc和输入电压转换为热流密度的比例系数S的值，实现在测试时进行校准，对待测产品的等效热阻Requ的值进行补偿，进而获取更准确的测量值；

步骤B3、通过热性能已知的铝标定块和乙缩醛树脂标定块作为所述标准标定块代入表达式3中，可得铝块和乙缩醛树脂的接触热阻Rc的理论公式为

（表达式4）；

步骤B4、校准时分别将铝标定块和乙缩醛树脂标定块装载在所述高精度热流参数测量设备中进行检测，此时可得

（表达式5），

（表达式6），

其中VTEG_Al为铝标定块在所述测试夹具中使用所述热电发生器（14）测量获得的电压值，VTEG_Del为乙缩醛树脂标定块在所述测试夹具中使用所述热电发生器（14）测量获得的电压值，

TA_Al、TB_Al为铝标定块在所述测试夹具中使用通过两组所述TMP117传感器（7）获得的接触面温度值，TA_Del、TB_Del为乙缩醛树脂标定块在所述测试夹具中使用通过两组所述TMP117传感器（7）获得的接触面温度值；

步骤B5、通过热阻计算公式可得铝标定块的接触热阻Rc_Al和乙缩醛树脂标定块的接触热阻Rc_Del分别为，

（表达式7），

（表达式8），

其中QAl与QDel分别为铝标定块和乙缩醛树脂标定块的总的耗散功率，通过QDel与QAl作差获得接触热损耗；

步骤B6、通过已知的铝标定块和乙缩醛树脂标定块两种标定块的面积和导热系数可求解出对应的热阻RAl和RDel，将铝标定块热阻RAl、乙缩醛树脂标定块热阻RDel以及由表达式7和8测量计算获得的接触热阻Rc_Al和接触热阻Rc_Del代入算式

（表达式9），

（表达式10），

，获得b和c的值，通过a、b、c的代入二次方程公式中求解获得接触热阻Rc，二次方程公式为

（表达式11），

步骤B7、热损耗QLoss的计算，装载乙缩醛树脂标定块进行测试，设置所述薄膜加热器（13）控制所述第一传导块（5）的温度为40°C，设置所述冷却温控平台（12）控制所述第二传导块（6）为30°C，然后通过所述TMP117测量获取乙缩醛树脂标定块上A面和B面的实际温度Ta、Tb，乙缩醛树脂标定块的热阻RDel_CAL根据规格可求得，通过热阻RDel_CAL代入表达式1计算获得热流通量QDel_CAL，然后用所述倍福控制器（3）获取乙缩醛树脂标定块测量热流通量时的PWM电流控流比

及计算出总的耗散功率QDel，用总的耗散功率QDel减去QDel_CAL就得到了QLoss热损耗的值

（表达式12）；

步骤B8、由表达式4可得

（表达式13），

（表达式14），

代入上述步骤获得的QLoss、QDel以及QAl计算获得比例系数S；

步骤B9、将获得比例系数S、接触热阻Rc的校准参数存入所述高精度热流参数测量设备的存储器中，进行测试时测量DUT时，所述高精度热流参数测量设备将会获取待测产品上A面和B面的温度值TA、TB以及热电发生器（14）VTEG数据，然后将存入设备指定地址的校准值S参数和Rc参数调出，一起带入表达式3中计算获得待测产品的等效热阻Requ。

6.根据权利要求5所述的基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法，其特征在于：步骤B5中铝标定块的热流通量QAl和乙缩醛树脂标定块的热流通量QDel计算式为

（表达式15），

（表达式16），

其中0.24为热功当量，

为使用乙缩醛树脂标定块测量热流通量时的PWM电流控流比，

为铝标定块测量热流通量时的PWM电流控流比，PWM电流控流比在所述倍福控制器（3）中读取，

为所述薄膜加热器（13）的直流电阻，

为PWM驱动负载电流终端的电流校正因子 ，数值为0.989。

7.根据权利要求6所述的基于TMP117的高精度热流参数测量设备的校准方法，其特征在于：步骤B5中通过通过获得两次的数据采集，用表达式15和表达式16计算出铝标定块和乙缩醛树脂标定块的热通量值，最后求热通量平均值，

（表达式17），

（表达式18）。

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