专利名称：一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种瞬态温度传感器的标定方法，特别是一种采用激光器对薄膜热电 偶进行动态标定的系统及方法。
背景技术：
在高速切削中，切削区的瞬态切削温度的测量是一个非常关键的因素。实时监控 并精确的反映切削过程中切削区的温度变化是非常必要的。薄膜热电偶是一种先进的测量 瞬变温度的传感器，其测量原理与普通热电偶相同。薄膜热电偶的动态特性或动态响应能 力常用时间常数T来表示。传统的热电偶动态标定常用方法有三种阶跃响应法、脉冲响 应法和斜坡信号法。这些方法均将热电偶的动态特性看成一阶惯性环节，由动态校准试验 曲线确定动态响应时间。薄膜热电偶热接点热容量�。奔涑Ｊ齌�。捎诤苣鸦竦糜氡� 膜热电偶动态时间常数相适应的温度阶跃信号或脉冲信号，因此采用传统方法必然产生较 大误差，而且薄膜热电偶常附着在特定的基体上，传统的标定方法很难消除基体热容对薄 膜热电偶动态特性的影响。目前比较先进的方法基本都是基于激光的动态标定方法。例如， 威斯康星州立大学机械工程系的Hongseok Choi, XiaochunLi等人为了监测激光焊接过程 中能量的分布，使用K型薄膜热电偶分布在激光轨迹的周围，通过薄膜热电偶来观察激光 焊接能量的转变。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 研究人员提出用连续二氧化碳激光器和掺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等。标定实验中的激励信号不论采用何种措施，都不可能达 到理想激励信号，在计算动态响应参数时设输入信号为理想波形势必会带来误差。采用上 述方法很难得到与薄膜热电偶微秒级的响应时间相匹配的激光激励信号的脉冲宽度。当激 励信号的脉冲宽度与被校温度传感器的响应时间之比近似认为是瞬态无限大时，可以作为 脉冲输入，由一阶系统的脉冲响应函数可方便得到其响应时间。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明要设计一种响应时间为微秒级的采用激光器 对薄膜热电偶进行动态标定的系统及方法。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种采用激光器对薄膜热电偶进行 动态标定的系统，包括激光试验台靶架、连续He-Ne激光器、透镜组、精密放大器、DT9800动 态信号采集仪、计算机及测试软件，所述的连续He-Ne激光器发出的激光经透镜组照射到 安装于激光试验台靶架的薄膜热电偶上，所述的薄膜热电偶通过数据电缆依次与精密放大 器、DT9800动态信号采集仪和计算机连接，所述的测试软件安装在计算机内，所述的系统还 包括激光器控制电源、Ultra-CFR短脉冲激光器和倍频晶体，所述的激光器控制电源通过电 力电缆与Ultra-CFR短脉冲激光器连接，所述的Ultra-CFR短脉冲激光器发射的激光经倍 频晶体照射到激光试验台靶架的薄膜热电偶上。本发明所述的Ultra-CFR短脉冲激光器作为激励热源，其脉冲宽度为8ns，单脉冲
4能量为50mJ。 本发明所述激光器控制电源集成了水冷系统，同时可控制Ultra-CFR短脉冲激光 器的脉冲输出频率。本发明所述的精密放大器采用AD524精密放大芯片搭建放大电路。本发明所述的DT9800动态信号采集仪的最高采样频率可达IOOkHz。一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的方法，包括以下步骤A、采用Ultra-CFR短脉冲激光器作为激励热源，设置激光参数为重复频率1 IOHz可选调，脉冲持续时间8ns不可调，激光能量50mJ ；B、将被标定薄膜热电偶安装在激光试验台靶架上；C、将NiCr补偿导线通过导电银胶与NiCr薄膜连接，将NiSi补偿导线通过耐高温 导电银胶与MSi薄膜连接，将MCr补偿导线、NiSi补偿导线经过通槽引出，并用绝缘胶固 定和绝缘；D、将NiCr补偿导线、NiSi补偿导线分别与精密放大器的1、2引脚连接，将精密放 大器的输出端与DT9800动态信号采集仪的输入端连接，将DT9800动态信号采集仪接入计 算机；E、将连续He-Ne激光器产生波长为632. Snm红光通过透镜组照射到薄膜热电偶 上，使连续He-Ne激光器的红光光斑与薄膜热电偶热接点中心重合，为加热激光光斑定位；F、打开激光器控制电源，Ultra-CFR短脉冲激光器输出的激光经过倍频晶体后，将 加热激光由1064nm的红外光倍频到532nm的绿光，调节绿光光斑与薄膜热电偶热接点中心 处红光光斑重合，关闭用于定位的连续He-Ne激光器，使Ultra-CFR短脉冲激光器输出的 激光经过倍频晶体后被薄膜热电偶接收并产生瞬时温升，使用精密放大器将信号放大1000 倍，通过DT9800动态信号采集仪采集薄膜热电偶输出的热电势信号；G、由计算机对DT9800动态信号采集仪采集到的电势信号进行数据处理，完成对 薄膜热电偶的动态标定。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果1、采用脉冲宽度为8ns的Ultra-CFR短脉冲激光器作为激励热源，进行薄膜热电 偶的动态标定的试验结果表明，薄膜热电偶的最小响应时间可以达到0. 042ms。2、由于本发明采用了脉冲宽度为8ns的短脉冲激光器作为激励热源，数据动态信 号采集仪的采样频率达到100kHz，可实现响应时间为微秒级的薄膜热电偶的动态标定。3、本发明具有非接触、操作简便，精度高，实用性强等优点。
本发明共有附图4张，其中图1是采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的系统结构示意图。图2是薄膜热电偶位置及接线示意图。图3是精密放大器电路原理与接线图。图4是采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的测试结果曲线截图。图中，1、薄膜热电偶，2、激光试验台靶架，3、连续He-Ne激光器，4、透镜组，5、激光 器控制电源，6、Ultra-CFR短脉冲激光器，7、倍频晶体，8、精密放大器，9、DT9800动态信号采集仪，10、计算机，11、薄膜热电偶热接点中心，12,SiO2绝缘膜，13,NiCr薄膜，14、NiSi薄 膜，15、耐高温导电银胶A，16、耐高温导电银胶B，17、NiCr补偿导线，18、NiSi补偿导线，19、 绝缘胶，20、薄膜热电偶热接点，21、通槽。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种采用激光器对薄膜 热电偶进行动态标定的系统，包括激光试验台靶架2、连续He-Ne激光器3、透镜组4、精密放 大器8、DT9800动态信号采集仪9、计算机10及测试软件，所述的连续He-Ne激光器3发出 的激光经透镜组4照射到安装于激光试验台靶架2的薄膜热电偶1上，所述的薄膜热电偶1 通过数据电缆依次与精密放大器8、DT9800动态信号采集仪9和计算机10连接，所述的测 试软件安装在计算机10内，所述的系统还包括激光器控制电源5、Ultra-CFR短脉冲激光器 6和倍频晶体7，所述的激光器控制电源5通过电力电缆与Ultra-CFR短脉冲激光器6连接， 所述的Ultra-CFR短脉冲激光器6发射的激光经倍频晶体7照射到激光试验台靶架2的薄 膜热电偶1上。所述的Ultra-CFR短脉冲激光器6作为激励热源，其脉冲宽度为8ns，单脉 冲能量为50mJ。所述激光器控制电源5集成了水冷系统，同时可控制Ultra-CFR短脉冲激 光器6的脉冲输出频率。所述的精密放大器8采用AD524精密放大芯片搭建放大电路。所 述的DT9800动态信号采集仪9的最高采样频率可达IOOkHz。如图1-3所示，一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的方法，包括以下步 骤A、采用Ultra-CFR短脉冲激光器6作为激励热源，设置激光参数为重复频率1 IOHz可选调，脉冲持续时间8ns不可调，激光能量50mJ ；B、将被标定薄膜热电偶1安装在激光试验台靶架2上；C、将NiCr补偿导线17通过导电银胶15与NiCr薄膜13连接，将NiSi补偿导线 18通过耐高温导电银胶16与NiSi薄膜14连接，将NiCr补偿导线17、NiSi补偿导线18经 过通槽21引出，并用绝缘胶19固定和绝缘；D、将NiCr补偿导线17、NiSi补偿导线18分别与精密放大器8的1、2引脚连接， 将精密放大器8的输出端与DT9800动态信号采集仪9的输入端连接，将DT9800动态信号 采集仪9接入计算机10 ；E、将连续He-Ne激光器3产生波长为632. Snm红光通过透镜组4照射到薄膜热电 偶1上，使连续He-Ne激光器3的红光光斑与薄膜热电偶热接点中心11重合，为加热激光 光斑定位；F、打开激光器控制电源5，Ultra_CFR短脉冲激光器6输出的激光经过倍频晶体7 后，将加热激光由1064nm的红外光倍频到532nm的绿光，调节绿光光斑与薄膜热电偶热接 点中心11处红光光斑重合，关闭用于定位的连续He-Ne激光器3，使Ultra-CFR短脉冲激 光器6输出的激光经过倍频晶体7后被薄膜热电偶1接收并产生瞬时温升，使用精密放大 器8将信号放大1000倍，通过DT9800动态信号采集仪9采集薄膜热电偶1输出的热电势 信号；G、由计算机10对DT9800动态信号采集仪9采集到的电势信号进行数据处理，完 成对薄膜热电偶1的动态标定。
下面结合图1-2进一步介绍本发明的具体实施过程及有益效果UNiCr/NiSi薄膜热电偶1的制备。NiCr/NiSi热电偶功能薄膜是在MW-ECRPSII 磁控溅射设备上完成的。基本原理为工作气体中的少量初始电子在磁场中产生拉摩回旋 运动，如果电子的回旋频率与微波电场的频率相一致，电子的回旋运动就会和微波电场发 生共振，从而产生共振能量吸收，变成高能电子；这些高能电子和工作气体分子发生非弹性 碰撞，使之电离，产生等离子体。薄膜热电偶1若要应用到实际切削加工中，除需在恶劣条 件下保持良好的精度和稳定性外，制备时仍须满足如下要求(1)薄膜热电偶硬质合金基体必须严格绝缘，因此必须在基体上沉积绝缘性好、结 合力强的SiO2绝缘膜12。(2)为了适应生产需求，必须具有足够长的寿命，最外层需制作了 Si3N4保护层。保 护层具有足够的硬度、耐磨性、结合力和绝缘性，以便在切削加工时能有效的保护薄膜热电 偶1。2、对薄膜热电偶1进行动态标定。采用Ultra-CFR短脉冲激光器6作为激励热 源，脉冲激光束打到薄膜热电偶1上会给薄膜一个瞬态冲击，产生瞬时高温，并以热传导方 式向薄膜内部传递，使薄膜热电偶1感受到温升产生电压信号输出。设定脉冲重复频率分 别为1、2和5Hz。为了能让温升曲线比较明显，尽量选取高的激光能量，通过实验选取脉冲 重复频率5Hz以下。3、精密放大电路的选择。薄膜热电偶1的输出热电势是毫伏级的，使用动态信号 采集仪9直接采集，干扰比较大，甚至有些封闭性不是很好的动态信号采集仪9本身空采的 干扰可以达到10mV，所以信号进入动态信号采集仪9之前必须进行放大，本文采用AD524精 密放大芯片搭建放大电路。精密放大电路需要严格接地，并且放大电路、动态信号采集仪9 以及计算机10机箱等都必须共地，否则干扰较大。而且输入端和输入接口处需要采用铝箔 包裹，一方面为了保证良好的接触，另一方面为了局部屏蔽降低干扰，输出端接线位置做同 样处理。下表为采样频率为IOOkHz时，薄膜热电偶热接点20不同宽度时的响应时间
薄膜热接点宽度(mm)薄膜热电偶响应时间(ms)
_LO__0.042_
_3] _08__0051_
_05__0.097_
__03___O1IO_ 试验曲线如图4所示，试验结果表明，本发明比现有技术具有更短的响应时间。
权利要求
一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的系统，包括激光试验台靶架(2)、连续He-Ne激光器(3)、透镜组(4)、精密放大器(8)、DT9800动态信号采集仪(9)、计算机(10)及测试软件，所述的连续He-Ne激光器(3)发出的激光经透镜组(4)照射到安装于激光试验台靶架(2)的薄膜热电偶(1)上，所述的薄膜热电偶(1)通过数据电缆依次与精密放大器(8)、DT9800动态信号采集仪(9)和计算机(10)连接，所述的测试软件安装在计算机(10)内，其特征在于所述的系统还包括激光器控制电源(5)、Ultra-CFR短脉冲激光器(6)和倍频晶体(7)，所述的激光器控制电源(5)通过电力电缆与Ultra-CFR短脉冲激光器(6)连接，所述的Ultra-CFR短脉冲激光器(6)发射的激光经倍频晶体(7)照射到激光试验台靶架(2)的薄膜热电偶(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的系统，其特征 在于所述的Ultra-CFR短脉冲激光器(6)作为激励热源，其脉冲宽度为8ns，单脉冲能量 为 50mJo
3.根据权利要求1所述的一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的系统，其特征 在于所述激光器控制电源(5)集成了水冷系统，同时可控制Ultra-CFR短脉冲激光器(6) 的脉冲输出频率。
4.根据权利要求1所述的一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的系统，其特征 在于所述的精密放大器(8)采用AD524精密放大芯片搭建放大电路。
5.根据权利要求1所述的一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的系统，其特征 在于所述的DT9800动态信号采集仪(9)的最高采样频率可达100kHz。
6.一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的方法，其特征在于包括以下步骤A、采用Ultra-CFR短脉冲激光器(6)作为激励热源，设置激光参数为重复频率1 10Hz可选调，脉冲持续时间8ns不可调，激光能量50mJ ；B、将被标定薄膜热电偶(1)安装在激光试验台靶架(2)上；C、将NiCr补偿导线(17)通过导电银胶(15)与NiCr薄膜(13)连接，将NiSi补偿导 线(18)通过耐高温导电银胶(16)与NiSi薄膜(14)连接，将NiCr补偿导线(17)、NiSi补 偿导线(18)经过通槽(21)引出，并用绝缘胶(19)固定和绝缘；D、将NiCr补偿导线(17)、NiSi补偿导线(18)分别与精密放大器(8)的1、2引脚连 接，将精密放大器(8)的输出端与DT9800动态信号采集仪(9)的输入端连接，将DT9800动 态信号采集仪(9)接入计算机(10)；E、将连续He-Ne激光器(3)产生波长为632.8nm红光通过透镜组(4)照射到薄膜热电 偶(1)上，使连续He-Ne激光器(3)的红光光斑与薄膜热电偶热接点中心(11)重合，为加 热激光光斑定位；F、打开激光器控制电源(5)，Ultra-CFR短脉冲激光器(6)输出的激光经过倍频晶体(7)后，将加热激光由1064nm的红外光倍频到532nm的绿光，调节绿光光斑与薄膜热电偶热 接点中心(11)处红光光斑重合，关闭用于定位的连续He-Ne激光器(3)，使Ultra_CFR短脉 冲激光器(6)输出的激光经过倍频晶体(7)后被薄膜热电偶(1)接收并产生瞬时温升，使 用精密放大器(8)将信号放大1000倍，通过DT9800动态信号采集仪(9)采集薄膜热电偶 (1)输出的热电势信号；G、由计算机(10)对DT9800动态信号采集仪(9)采集到的电势信号进行数据处理，完成对薄膜热电偶(1)的动态标定。
全文摘要
本发明公开了一种采用激光器对薄膜热电偶进行动态标定的系统及方法，所述的系统包括激光试验台靶架、连续He-Ne激光器、透镜组、精密放大器、动态信号采集仪、计算机及测试软件，还包括激光器控制电源、Ultra-CFR短脉冲激光器和倍频晶体，所述的激光器控制电源通过电力电缆与Ultra-CFR短脉冲激光器连接，所述的Ultra-CFR短脉冲激光器发射的激光经倍频晶体照射到激光试验台靶架的薄膜热电偶上。本发明采用脉冲宽度为8ns的Ultra-CFR短脉冲激光器作为激励热源进行薄膜热电偶的动态标定，试验结果表明，薄膜热电偶的最小响应时间可以达到0.042ms，可实现响应时间为微秒级的薄膜热电偶的动态标定。
文档编号G01K15/00GK101858797SQ201010166350
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者崔云先, 杨德顺, 王亚楠, 贾颖 申请人:大连交通大学
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