一种薄膜热电偶的高温动态测试系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种薄膜热电偶的高温动态测试系统及方法，所述系统包括：辐射型热源、控制系统、冷却水系统、放大电路、数据采集卡和计算机，其中：控制系统连接辐射型热源，冷却水系统与辐射型热源连接，薄膜热电偶样品通过补偿导线依次与放大电路、数据采集卡和计算机连接；本发明专利技术采用的辐射型热源的最快温升能力达250℃/秒，将辐射型热源作为激励热源对薄膜热电偶样品进行动态测试，结果表明，从室温升到1200℃时，此方法能够实现薄膜热电偶的动态测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及温度传感器的瞬态测试方法，具体地，涉及一种采用辐射型热源对薄膜热电偶进行高温动态测试的系统及方法。
技术介绍
随着航空发动机热端部件的工作温度越来越高，燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高，为了保证关键热端部件工作正常，找出过热点并采取相应的措施，必须对热端温度场进行静态和动态测量。与丝状热电偶相比，薄膜热电偶具有微型化设计和集成化制造的特点，可成功覆盖狭窄流道或小空间壁面的温度测试。同时薄膜温度传感器对发动机部件结构破坏程度小、不影响流场性能，且测试精度高、动态响应时间快、可阵列化与批量化，因此特别适于测量物体表面和小间隙场所的温度，尤其是对测试响应时间要求较高或温度快速变化的区域。通常薄膜热电偶动态响应速度用时间常数τ来表示，即阶跃响应曲线上升63.2％所用的时间。动态响应时间的大小不仅取决于传感器的热容量大小，还与升温时的温度差有关，如对于同样的传感器，从室温升温到1200℃时的动态响应时间大于室温升温到200℃时的动态响应时间。目前常用的测量热电偶时间常数的方法主要有可调Q值激光法、水滴法、激波管法、电加热法等，其中激光法是最常用的方法。但根据文献报道，(Static and dynamic calibration of thin-film thermocouples by means of a laser modulation technique，《Review of Scientific Instruments》，2000，71(11):4306-4313)，目前激光法也仅限于测量升温到200℃时的动态响应时间。经检索，公开号为CN103335739A、申请号为CN201310304085.8的中国专利技术专利，该专利公开一种热电偶高温测试系统，其包括钨铼热电偶、模拟处理电路、A/D转换器、SRAM芯片、CPLD芯片、单片机、冷端补偿温度传感器、USB接口和计算机；该专利技术提供的热电偶高温测试系统是一种将传感器、适配放大器、A/D转换
器、存储器、控制电路、接口电路及微型电池集合在一起的微型化测试系统。该方法只能对热电偶性能进行静态测试，主要是通过测量热电势输出的大小来测量温度，不能测试热电偶的动态响应时间。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种薄膜热电偶的高温动态测试系统及方法，采用辐射型热源，即通过卤钨灯辐射发热来给薄膜热电偶一个瞬态高温温度阶跃，可以测量从室温升温到1200℃时薄膜热电偶的响应时间。根据本专利技术的一个方面，提供一种薄膜热电偶的高温动态测试系统，所述系统包括：辐射型热源、控制系统、冷却水系统、放大电路、数据采集卡和计算机，其中：控制系统连接辐射型热源，冷却水系统与辐射型热源连接，薄膜热电偶样品通过补偿导线依次与放大电路、数据采集卡和计算机连接；所述辐射型热源，作为激励热源，瞬间发出热照射到样品上面，使样品瞬间升温；所述控制系统，通过冷却水系统控制辐射型热源的升温速率，并控制辐射型热源的最高温度；所述放大电路，用于放大薄膜热电偶样品产生的热电势信号；所述数据采集卡，用于实时采集薄膜热电偶样品经过放大电路放大的输出信号；所述计算机，设有测试模块和滤波模块，用于控制数据采集卡采集信号的时间和频率，并对数据采集卡采集到的信号进行数据处理和滤波，从而完成对样品的动态测试。优选地，所述的辐射型热源，是通过在聚光腔内的卤钨灯产生的光辐照照射到薄膜热电偶样品上；由于薄膜热电偶样品是聚光腔内唯一的光吸收体，聚光腔内的光线大部分被薄膜热电偶样品所吸收，使薄膜热电偶样品温度快速升高。优选地，所述的辐射型热源作为激励热源，最高温度为1200℃，最高升温速率为250℃/秒。更优选地，所述的辐射型热源的辐射波长为0.3-0.4um，采用非相干光进行辐射加热，并通过冷却水系统控制升温速率。优选地，所述的放大电路采用仪表放大电路，主要由两级差分放大电路构成，其作用是抑制共模直流电压，同时放大差分信号电压，即两输入端的电压差。优选地，所述的数据采集卡最高采样频率达625kHz，模拟输入分辨率为18bits，灵敏度为24μV；数据采集卡含有低通滤波功能，能够很好地还原被测信号。根据本专利技术的另一个方面，提供一种基于薄膜热电偶的高温动态测试系统的测试方法，包括以下步骤：(1)采用辐射型热源作为激励热源；(2)将测试的薄膜热电偶固定在辐射型热源的聚光腔室内；(3)将Pt补偿导线和PtRh补偿导线分别通过耐高温导电铂浆和铂铑浆烧结来连接薄膜热电偶的两个引脚，并分别将Pt补偿导线和PtRh补偿导线引出聚光腔室；(4)将Pt补偿导线和PtRh补偿导线分别与放大电路的负极、正极连接，将放大电路的输出端与数据采集卡的输入端连接，将数据采集卡接入计算机，通过安装在计算机内的测试模块控制数据采集卡采集信号的时间和频率；(5)打开辐射型热源开关，并开启冷却水系统，通过控制系统控制辐射型热源的升温速率与最高温度，辐射型热源瞬间发出的热量被薄膜热电偶吸收并产生瞬时温升，使用放大电路将样品产生的信号放大，通过数据采集卡采集样品输出的经过放大的热电势信号；(6)通过安装在计算机的测试模块对数据采集卡采集到的热电势信号进行数据处理和软件滤波，从而完成对样品的动态测试。优选地，所述辐射型热源，其升温速率为10-250℃/秒，升温最高温度达1200℃。本专利技术通过辐射型热源产生一个瞬态的温度阶跃,并能够很准确地将薄膜热电偶产生的热电势输出信号采集下来,达到测量薄膜热电偶瞬态响应时间的目的。同时，本专利技术通过降低升温速率，也可以实现薄膜热电偶的静态测试。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：(1)本专利技术温度阶跃范围易于调节，能够测量1200℃温差下的响应时间；(2)本专利技术采用辐射型热源进行加热，在阶跃上升后能够保持一个台阶，易于得到响应时间。本专利技术采用的辐射型热源的最快温升能力达250℃/秒，将辐射型热源作为激励热源对薄膜热电偶样品进行动态测试，结果表明，从室温升到1200℃时，此方法能够实现薄膜热电偶样品的动态测试。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一实施例的薄膜热电偶动态测试系统原理图；图2为本专利技术一实施例的仪表放大电路图；图3为本专利技术一实施例的采集卡引线连接图；图4为本专利技术一实施例的测试软件Labview控制采集信号的前面板图；图5为本专利技术一实施例的测试软件Labview程序框图及滤波模块流程图的示意图；图6为本专利技术一实施例的采用辐射型热源对薄膜热电偶进行瞬态测试的结果曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，一种薄膜热电偶的高温动态测试系统，所述系统包括：辐射型热源、控制系统、冷却水系统、放大电路、数据采集卡和计算机，其中：控制系统连接辐射型热源，冷却水系统与辐射型热源连接，薄膜热电偶样品通过补偿导线依次与放大电路、数据采集卡和计算机连接；所述辐射型热源，作为激励热源，瞬本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜热电偶的高温动态测试系统，其特征在于，所述系统包括：辐射型热源、控制系统、冷却水系统、放大电路、数据采集卡和计算机，其中：控制系统连接辐射型热源，冷却水系统与辐射型热源连接，薄膜热电偶样品通过补偿导线依次与放大电路、数据采集卡和计算机连接；所述辐射型热源，作为激励热源，瞬间发出热照射到样品上面，使样品瞬间升温；所述控制系统，通过冷却水系统控制辐射型热源的升温速率，并控制辐射型热源的最高温度；所述放大电路，用于放大薄膜热电偶样品产生的热电势信号；所述数据采集卡，用于实时采集薄膜热电偶样品经过放大电路放大的输出信号；所述计算机，设有测试模块和滤波模块，用于控制数据采集卡采集信号的时间和频率，并对数据采集卡采集到的信号进行数据处理和滤波，从而完成对样品的动态测试。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜热电偶的高温动态测试系统，其特征在于，所述系统包括：辐射型热源、控制系统、冷却水系统、放大电路、数据采集卡和计算机，其中：控制系统连接辐射型热源，冷却水系统与辐射型热源连接，薄膜热电偶样品通过补偿导线依次与放大电路、数据采集卡和计算机连接；所述辐射型热源，作为激励热源，瞬间发出热照射到样品上面，使样品瞬间升温；所述控制系统，通过冷却水系统控制辐射型热源的升温速率，并控制辐射型热源的最高温度；所述放大电路，用于放大薄膜热电偶样品产生的热电势信号；所述数据采集卡，用于实时采集薄膜热电偶样品经过放大电路放大的输出信号；所述计算机，设有测试模块和滤波模块，用于控制数据采集卡采集信号的时间和频率，并对数据采集卡采集到的信号进行数据处理和滤波，从而完成对样品的动态测试。2.根据权利要求1所述的一种薄膜热电偶的高温动态测试系统，其特征在于，所述的辐射型热源，是通过在聚光腔内的卤钨灯产生的光辐照照射到薄膜热电偶样品上；由于薄膜热电偶样品是聚光腔内唯一的光吸收体，聚光腔内的光线大部分被薄膜热电偶样品所吸收，使薄膜热电偶样品温度快速升高。3.根据权利要求2所述的一种薄膜热电偶的高温动态测试系统，其特征在于，所述的辐射型热源作为激励热源，最高温度为1200℃，最高升温速率为250℃/秒。4.根据权利要求3所述的一种薄膜热电偶的高温动态测试系统，其特征在于，所述的辐射型热源的辐射波长为0.3-0.4um，采用非相干光进行辐射加热，并通过冷却水系统控制升温速率。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种薄膜热电偶的高温动态测试系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑶，程萍，丁桂甫，孙诗，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31