薄膜热电偶的动态特性及动态补偿研究

　　1　引言

　　薄膜热电偶是一种用于瞬态温度测量的传感器,特别是在内燃机壁面、枪炮膛内壁、锻模表面等瞬态温度测试中近年来获得了广泛的应用。对薄膜热电偶的动态特性进行研究是使其能应用于动态测试的关键。已进行的研究表明,薄膜热电偶动态特性的好坏与其热接点薄膜的材料和厚度有关。瞬态高温测量中使用的薄膜热电偶要求同时具有良好的动态特性和较长的使用寿命。然而,对于一些瞬变的温度过程,薄膜热电偶固有的热惯性依然会对测量带来很大的动态误差。近年来,对薄膜热电偶动态特性的研究,仍主要是将其视为一阶系统,通过动态校准实验测取其时间常数,以此作为改进薄膜热电偶的结构来提高其动态特性的依据[1,2]。

　　本文旨在现有工艺和材料的基础上,采用动态补偿的方法来提高薄膜热电偶动态响应的快速性,达到减小测量时的动态误差以及扩大其适用范围的目的。这里,我们采用了脉冲激光法对本项研究中的一种薄膜热电偶进行了动态校准实验,采用一种基于沃尔什函数的最小二乘建模方法建立薄膜热电偶的动态模型,并设计了动态补偿数字滤波器对薄膜热电偶测得的信号进行动态误差补偿。研究表明,薄膜热电偶的动态特性可以通过动态补偿的方法得到明显改善。

　　2　薄膜热电偶的动态校准

　　迄今为止,对薄膜热电偶的动态校准尚没有统一的方法。传统的对普通热电偶进行动态校准的方法由于很难产生与薄膜热电偶动态特性相适应的温度阶跃信号的前沿而不适用。由于激光可以在材料表面产生非常快的瞬时温升,目前,不少研究者已将其用于薄膜热电偶的动态校准。我们认为,由于激光束与材料的相互作用是极其复杂的瞬态过程,要使材料表面产生规则的的温度波形是极其困难的。因此,若将薄膜热电偶等效为一阶系统,并从动态校准波形上直接获取时间常数时,则存在着一定的误差。

　　本文采用的动态校准实验方法是[3]:用一台大功率可调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。用高频响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,利用瞬态波存贮记录下这两路信号。所得到的实验曲线如图1所示。

　　3　基于沃尔什函数的动态建模[4]

　　从薄膜热电偶动态校准所得数据的波形上可以看出,无法从波形上简单地读出其作为一阶系统的时间常数指标,动态特性指标应该从模型计算出,而简单地将其视为一阶系统也不利于参数建模,因此,我们通过实际的建模结果来确定其阶次。