基于热电偶的精密环境温场测量的

　　0 引 言

　　高精确度温度计量是精密计量和制造纳米几何尺寸的重要前提[1 -2]. 大范围纳米坐标测量机提出了保障常温下密闭空间内温度具有高稳定度和高均匀度的要求. 迄今为止的文献中仅通过某种算法计算精密测量环境的温度均匀性和稳定性，而未分其测量不确定度，因此无法保证所构建的测量环境符合其设计精确度要求.响应速度快、不存在自热等优点的热电偶，较热电阻等其他温度传感器更适用于密闭空间内温度的测量，但常规应用的热电偶个体间差异较大、稳定性差而无法满足精密空间内温场均匀性测量要求[3 -4]，这种差异可通过在实验室中分别标定每支热电偶而得到克服，因此实验室条件下应用热电偶能够给出较常规应用更高的测量精确度. 我们在温度范围在18 ～ 22 ℃ 的条件下使用铜 - 康铜热电偶测量纳米坐标测量机的工作环境温度，分析了基于热电偶测温的温度测量不确定度和精密测量环境温场稳定度、均匀度的测量不确定度，为精密环境的温场参数测量提供了理论保障. 同时，针对测量过程中存在的脉冲噪声和热电偶非线性的干扰，结合纳米坐标测量机的工作环境温度信号变化缓慢的特点，提出合运用均值滤波和中值滤波处理热电偶热电动势测量数据，以使更好地测量精密测量环境的温场分布.

　　1 热电偶测温原理及模型

　　根据 Seebeck 效应，当组成热电偶的材料一定时，热电偶的热电动势只取决于热电偶测温回路的两个接点温度. 即热电偶检测端温度可表示为

　　式中: A、B 为组成热电偶两极的两种材料; T0为热电偶参考端温度 ( ℃) ; EAB为温差 ΔT = T - T0时的热电偶热电动势( nV) .

　　根据美国国家标准局( NBS) 提供的铜 - 康铜热电偶电压特征数据与温度对应关系———热电动势与测量端和参考端温差近似呈线性[5]，考虑到实际测温范围为 4 ℃左右，认为热电偶热电动势与测量端和参考端温差为 1 次函数关系是合理的，即热电偶测温模型可表征为

　　式中: ΔT = kE + b，为温差和热电动势的 1 次最小二乘拟合关系式; a 为斜率( ℃ /nV) ，b 为截距( ℃) .

　　2 实验系统

　　实验系统包括机械系统、数据采集系统和软件平台等三部分，如图 1 所示. 热电偶的测量端和参考端分别置于两个相同结构的保温箱体( 立方体结构，6 面均采用 200 mm 苯板隔热) 内的杜瓦瓶中，并在测量中采用两支一等标准铂电阻测量热电偶补偿端和测量端的温度，使用两个纯铜块分别包裹热电偶参考端和参考端的一级标准铂电阻以及热电偶测量端和测量端的一级标准铂电阻，使两支一等标准铂电阻尽可能分别与热电偶参考端和测量端温度相同，然后分别放置于参考端和测量端中盛油的杜瓦瓶中，将该盛油杜瓦瓶置于箱体中央.