薄膜热电偶动态特性标定技术研究现状

0　引　言

随着科学技术地不断进步与发展,人们对获取瞬态温度信息的要求不断提高,因而,各种各样的高瞬态测温仪应运而生。第二次世界大战期间,德国人Hackemann提出薄膜热电偶的原理,并将研制成的薄膜热电偶(膜厚仅为2μm)用于测量枪膛在子弹射出后的壁温变化;其后,世界各地许多学者对薄膜热电偶的结构、制备方法、性能和应用前景进行了大量研究工作,并取得了令人鼓舞的进展[1]。薄膜热电偶由于具有体积小、灵敏度高、便于安装、温度测量范围宽、动态响应时间短等特点,适于测量物体表面和小间隙场所快速变化的温度,因而,广泛地应用在燃烧室壁面[2]、锻模工作表面[3]、切削刀尖[4]等高速、高冲击恶劣环境下的瞬态温度测量。在瞬态温度测量中,若传感器动态性能不佳,就无法快速、准确地反映被测温度的变化,因而,需要对传感器的动态性能进行研究,动态响应时间作为评*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60202012)价薄膜热电偶动态性能的主要指标,得到了研究人员的广泛关注。

1　薄膜热电偶动态标定技术

传统的普通丝式热电偶动态标定常用方法有3种:阶跃响应法、脉冲响应法和斜坡信号法,这些方法都是将热电偶的动态特性看成一阶惯性环节,由动态校准实验曲线确定动态响应时间。薄膜热电偶由于与普通丝式热电偶结构、制造工艺的差异,其热结点多为微米量级,在对温度精度要求较高的场合,用上述方法标定的动态特性必然会产生较大的相对误差而不适用。到目前为止,对薄膜热电偶动态标定尚未有统一的方法,所采用的实验方案较多。本文总结了薄膜热电偶动态标定技术研究进展,对加速提出一种精度高的动态标定方法有指导作用。

1.1　动态时间常数测定实验方案

由于激光能够在微秒或纳秒内使材料表面产生瞬时温升,不少学者将激光作为对传感器加热的热源应用在薄膜热电偶动态校准实验方法中。

2000年, Serio等人[5]研制出一种金/钯薄膜热电偶,对薄膜热电偶进行理论热模型分析,得出热电偶的热力学数据用于计算动态响应时间。实验标定中,借助热辐射通量来研究动态响应特性;标定方法是:氩激光器发射激光脉冲,激光能量大小由光电晶体管调制。调制好的激光束通过焦距长160mm的透镜聚焦,激光总能量的10%经分光镜由激光能量仪测出大小,剩余光束照射到薄膜热电偶表面,热电偶产生温升,输出热电势信号经放大器和A/D转换后由计算机进行分析处理。薄膜热电偶固定在支架上,支架通过激光束自准直仪能够独立地在x,y, z3个方向上转动,使薄膜热电偶始终置于激光能量最大处。研究表明:记录的频率响应曲线并不是薄膜热电偶自身的频率响应曲线,而是传感器与基体的频率响应曲线。记录频率响应时间的95%更接近于热电偶本身的实际动态响应时间。由此实验装置测得宽8μm的金/钯薄膜热电偶响应时间约为1ms,理论计算与实验结果基本一致。

2003年,Chu Dachen,BilirTaner[6]等人设计出金/镍薄膜热电偶,其热接点大小为100 nm2。对热电偶的动态特性研究,激光器发射脉宽约为10 ns的脉冲信号,测量热电偶的2个动态响应参数,一是响应时间,指热电偶输出由最大值的10%上升到90%所需时间;另一个是下降时间,指由最大值降到最大值的50%所需时间。实验证明:用此装置测量不同厚度的金/镍薄膜热电偶动态特性,动态响应时间小于0. 5μs,下降时间大约为2μs。由此可见,金/镍薄膜热电偶有着良好动态特性。

20世纪90年代,西北工业大学的研究人员在此领域进行研究,对薄膜热电偶动态特性进行理论分析[7],给出薄膜热电偶动态响应时间常数τ的估算式

式中　S为热结点膜厚,m;α为热结点材料的导温系数,m2/s。

由于薄膜热电偶热结点多为微米级,由式(1)可见,薄膜热电偶的动态时间常数达微秒量级,且热结点膜层越薄,导温系数越大,传感器动态响应越迅速,同时,也减小了由于膜层热惯性引起的指示值与实测值的偏差。他们[8]利用自行研制的测锻模工作表面温度的薄膜热电偶提出动态特性标定实验方案。方法为,激光光束经分光镜分为两束:一束被硅光电二极管接收;另一束投射到薄膜热电偶热结点上,用照相机拍摄示波器上的硅光电管输出与薄膜热电偶输出的波形。对照相机上拍摄得到的波形进行线性化近似处理,将薄膜热电偶的动态特性视为一阶系统,根据一阶系统对阶跃信号的响应理论计算动态响应时间。实验结果表明:薄膜热电偶镀700 nm钽膜的动态时间常数约为50μs。动态响应的线性度良好,但时间常数的理论计算值与实际测量值差别较大,原因是: (1)由于激光在热电偶表面作用是一个极其复杂的过程,再把薄膜热电偶的动态特性看成一阶惯性环节,由热电偶输出曲线直接估计动态时间常数,精度较差; (2)激光的调制没有做到尽可能地考虑减小动态响应时间常数误差,适当增加激光脉冲的冲击能量和减小脉冲激光宽度可以提高薄膜热电偶动态响应时间测试精度。

在借鉴前人用激光加热薄膜热电偶动态校准技术的基础上,中北大学的研究人员[9]提出用连续二氧化碳激光器和钕玻璃脉冲激光器作为激励源分别用于对瞬态高温传感器的静态和动态标定。此系统采用动静态一体化的设计,消除了由于表面热辐射系数差异及位置移动而形成的系统误差。被校薄膜热电偶和红外探测器对称放置于椭球面反射镜的2个共轭交点处。动态校准中,由钕玻璃激光器输出激光脉冲,垂直照射到薄膜热电偶的表面,其温度变化规律经前置放大器记录于数字存储示波器中。传感器表面产生的红外热辐射经椭球面反射镜聚焦于红外探测器,其输出经放大器在数字存储示波器上被同时记录下来,由记录得出被校传感器的动态响应特性参数。设计系统时,为减少来自激光和其他电磁装置对调节电路的外来干扰而采用屏蔽室,且整个系统保证良好接地。反射镜经抛光后真空镀铝,提高对红外辐射的反射率。绝热层避免薄膜热电偶和红外探测器二者的直接辐射热传递。实验结果表明:由红外探测器与温度传感器响应曲线可得温度传感器的动态响应时间小于1μs。本系统对动态响应达微秒量级的瞬态温度传感器进行标定有着较高的精确度。

除了可以用激光做薄膜热电偶动态标定实验中的热源,其他能产生瞬时温升的热设备也可以作为薄膜热电偶动态标定系统中的激励热源。西安公路交通大学的研究人员[10]就用加热回路作为薄膜热电偶动态标定实验中的热源,进行了一定量的研究工作,实验结果表明:该法理论上有依据,技术上易实现。

上述薄膜热电偶动态标定方案理论分析是可行的。但在具体计算动态响应时间时,若把传感器的动态特性简单视为一阶系统,将得到的波形线性化处理,由其波形估算出,这种方法对丝式热电偶标定是适用的。薄膜热电偶热结点多为微米级,其动态响应时间只有几十微秒,用此方法得到的时间常数势必精度较差,所以,不能简单地把薄膜热电偶的动态特性等价为一阶系统。不少研究人员提出对薄膜热电偶动态特性建立数学模型,由模型计算动态响应时间提高了动态标定精度。

1.2　薄膜热电偶动态数学模型

对建立传感器动态数学模型的方法有不少学者在研究,得到的方法很多。传统的时域方法是以传感器的离散时域校准数据为基础,运用系统辨识的方法先建立相应的差分方程,经Z变换后求得离散传递函数,然后,由双线性变换可以得到连续传递函数。而频域方法则是先由时域瞬态响应经傅立叶变换求出频率响应,然后,由频率响应求传递函数。建立薄膜热电偶动态数学模型的方法国内主要是南京理工大学等研究人员做了这方面的工作,他们在动态标定实验方案的实验曲线基础上,尝试了用时域实验建模方法:系统辨识方法[11]、沃尔什变换方法[12]、自适应方法[13]和神经元方法[14]建立薄膜热电偶差分方程形式的动态数学模型,实现了高精度的在线动态标定。

(1)忽略薄膜热电偶非线性误差[11],采用一种带有特殊白化滤波器的递推极大似然系统辨识法建立薄膜热电偶的动态数学模型,其所建模型的仿真曲线与实验曲线有很好的拟合程度。该法具有辨识精度高、收敛速度快、稳定性好、计算量小等特点。

(2)采用一种基于沃尔什函数的最小二乘建模方法,它以沃尔什函数及其变换作为基本工具,可以直接由传感器的时域离散数据经过矩阵运算求出对应的微分方程系数,模型阶次和数据个数在数据区间内选择合适,建模结果与实验曲线的拟合程度比最小二乘法好。该法具有所用数据较少,所建模型的阶数低,可直接得出微分方程的系数,减少转化误差的优点,然而,由于沃尔什变换法不是递推的方法,没有把最小二乘准则应用于计算过程中,且实验数据不可避免地带有误差,因此,所得计算结果带有偶然性,有时甚至难以反映实际的传感器特性。同时,设计动态补偿数字滤波器展宽薄膜热电偶工作频带,对薄膜热电偶测得的信号进行动态误差补偿,以此来减小动态响应误差。

(3)考虑实验数据的非线性[13],先对实验数据进行小波去噪预处理,然后,利用自适应线性网络进行离线辨识,网络输出和系统实际输出的偏差通过W2H算法对网络进行训练,使网络输出逼近系统实际输出,获得薄膜热电偶动态模型,再经过实验数据进行模型检验。检验证明:用自适应线性网络建立的薄膜热电偶动态模型准确可靠,并具有良好的泛化能力。

(4)用人工神经网络辨识[14]的方法,实验曲线经平滑滤波再采用Sigmoid函数为激活函数的三层BP网络,网络经多次学习直到均方差极小,此时的网络即可作为薄膜热电偶动态数学模型。此法克服了薄膜热电偶的非线性不利影响,容易实现瞬态温度的复现,具有所建模型阶次低、准确度高的优点。如果传感器动态特性发生变化后,只需增加新的学习样本就可自动实现传感器特性的变化实用性较强,但离现场实际应用还有一段距离。

对薄膜热电偶进行动态实验建模所适用的各种方法,都是为了使数学模型结果与实验数据具有高的拟合程度,得到精确的薄膜热电偶动态模型,同时,为薄膜热电偶动态补偿设计提供基础,获得精度高的动态响应性能,提高温度测量的准确度。

2　分析讨论

影响薄膜热电偶动态标定精度的因素如下:

(1)激光,加热回路作为薄膜热电偶动态标定实验方案中的热源,虽然都能够产生瞬时温升,但温度上升沿需要时间并不能得到理想的输入波形信号,在计算动态响应时间常数时,设输入是理想波形使计算结果产生误差;

(2)薄膜传感器的表面有一层保护膜,它对激光有一定的吸收作用,因而,增加热阻,增大了实际测量的响应时间;

(3)实验动态标定系统电路元件之间存在电磁干扰,影响实测值精度,增大理论与实测时间常数之间误差;

(4)实验曲线不可避免地带有一些噪声,若由曲线直接估计动态时间常数影响准确性;

(5)理论计算动态响应时间时做了一些假设,与实际情况不符,增大理论计算与实测值的误差;

(6)建立薄膜热电偶动态数学模型时存在一定约束条件,降低了模型与热电偶实际动态特性的最佳逼近性能,实用性不强,影响实测值准确性;

(7)薄膜热电偶工作频带不够宽,对薄膜热电偶测试系统进行动态误差补偿设计考虑欠缺。

由此可见,薄膜热电偶动态标定电路系统应进一步细化,建立精确的实用性更强的薄膜热电偶动态数学模型,提高动态响应时间常数实测值精度,减小理论值与实测值的误差,以扩大动态标定方案适用范围。

3　结束语

到目前为止,已有不少文献描述了薄膜热电偶动态标定方法,但所述方法实用性不强。需要提出鲁棒性强、实用性好、精度高、对薄膜热电偶的动态补偿设计不依赖于薄膜热电偶的模型,更适于薄膜热电偶动态数学建模的方法。同时,对薄膜热电偶进行合理的动态误差补偿设计,提高动态响应的快速性,减小动态响应误差,得到高精度的动态响应特性,以适应高瞬态变化温度的测量。