不同类型薄膜热电偶性能分析3

1、薄膜热电偶热电特性分析与试验 摘要：薄膜热电偶具有体积小、操作简便、准确度高等优点。在一些为了精确测温的特殊情况下，显示出了极大的优势。采用磁控溅射法生产的热电偶在材料组合上几乎是无限的。本文对NiCr/NiSi薄膜热电偶、NiCrSi/NiSiMg薄膜热电偶静态下的重复性、使用寿命、温度上限等进行比较分析，以便在使用中可以更好的“因地制宜”。并与大连某高校制作的薄膜热电偶进行对比试验，验证制作工艺对薄膜热电偶性能的重要性。薄膜热电偶作为一种新型热电偶，对发动机叶片等特殊部件表面测温具有广泛的应用前景。关键词：薄膜热电偶，材料，工艺，表面测温The thermo-electric proper

2、ty analysis and experiment of thin-film thermocoupleAbstract：thin-film thermocouple has advantages of small volume，easy to operate, high accuracy,etc.In some for accurate temperature measurement under special circumstances,shows the great advantage.By magenetron sputtering method in the production o

3、f thermocouples on the material composition is almost unlimited.In this article,the NiCr/NiSi thin-film thermocouple, NiCrSi/NiSiMg thin-film thermocouple under static repeatability, using life, temperature limit, such as comparative analysis, in order to in use can be better "adjust measures t

4、o local conditions". And compared with a university in Dalian production of thin-film thermocouple test, verification process on the properties of thin-film thermocouple. Thin-film thermocouple as a new type of thermocouple, and other special parts of engine blade surface temperature measuremen

5、t has wide application prospect.1 引言在研制初期，采用磁控溅射的方法镀制膜层，同时敏感层与基体之间的绝缘问题是薄膜热电偶制作过程中遇到的最大阻碍，薄膜热电偶的制作过程中，为解决其绝缘问题，选用陶瓷基体，陶瓷基体上镀制薄膜层不需要考虑热电偶的绝缘问题。通过与大连某高校制作的薄膜热电偶进行对比试验，发现薄膜热电偶的制作工艺尤为重要，通过改变工艺反复制作、试验、分析，找到较为合理有效的制作工艺制作出了K型与N型薄膜热电偶，对其进行热电特性校准试验，并对试验结果进行分析。通过对试验结果的分析，初步认定我们制作的薄膜热电偶的重复性、稳定性基本达到使用要求。2 薄膜热电偶

6、结构 本文提到的K型与N型薄膜热电偶是以陶瓷为基底，采用磁控溅射的方法分别以NiCr/NiSi（K型）与NiCrSi/NiSiMg（N型）为正负两级镀制在基底上，在一端形成节点，薄膜热电偶见图1、图2。图1 K型薄膜热电偶图2 N型薄膜热电偶K型薄膜热电偶在薄膜热电偶试制阶段，选择耐高温绝缘性好的陶瓷热电偶做基底，在陶瓷热电偶表面镀NiCr-NiSi薄膜层，膜层厚度1m，在敏感层表面镀制1m的Al2O3做为保护层，热电偶结构见图3。同理N型薄膜热电偶，在陶瓷热电偶表面镀NiCrSi-NiSiMg薄膜层，膜层厚度1m，在敏感层表面镀制1m的Al2O3做为保护层，热电偶结构见图4。试验原理见图5。

7、图3 K型热电偶结构图4 N型热电偶结构图5 实验原理 3 薄膜热电偶制作工艺 在制作过程中通过改变制作工艺，制作出一套较好的试验件，并与大连某高校制作的同样材质薄膜热电偶进行对比试验。从而验证出我们制作的薄膜热电偶更为优秀。试验结果见表1。表1 与大连某高校薄膜热电偶对比试验结果温度温差自研薄膜热电偶大连薄膜热电偶300-0.0458.44000.8257.15000.6466.24 薄膜热电偶热电特性试验原理4.1 NiCr-NiSi（K型）薄膜热电偶温度标定采用直径为0.3mm的丝式标准K型热电偶作为参考热电偶进行热电特性，利用数字电压表对信号进行采集，输出信号为电压信号，参照热电偶分度

8、表用差值法将电压信号计算为温度。在对电压信号进行处理之前，需要对薄膜热电偶SeeBack1数进行评定，确定其是否适用分度表进行计算。对K型热电偶，其标准SeeBack约为0.0425mv/，SeeBack校准结果为5次试验取每50计算的SeeBack系数的平均值，结果见表2，由表2可认为其温度的处理适用分度表。注1：SeeBack效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。 （1） （2）式中：t为温差； n为控制温度； S为SeeBack系数表2 K型薄膜热SeeBack系数结果温度SeeBack系数1#2#3003500.0411

9、0.04103504000.04160.04154004500.04150.04154505000.04260.04265005500.04250.04275506000.04260.04266006500.04220.04236507000.04180.04187007500.04130.04147508000.04110.04118008500.04030.04058509000.03990.03989009500.04260.0426对图1所示薄膜热电偶采用破坏式标定，热电偶在控温980后输出数据较为混乱并在控温1100后输出为无穷大，薄膜表层颜色变化成绿色，电极间绝缘电阻为无穷大，薄膜

10、热电偶已经被破坏。4.1.1 NiCr-NiSi（K型）薄膜热电偶稳定性试验对薄膜热电偶进行稳定性标定试验，检定炉控制温度300950，每50作为温度间隔，每个温度点以采样间隔0.5秒记录300组试验数据，对其试验结果稳定性进行计算，用离散系数2作为衡量其稳定性的标准，薄膜热电偶测温稳定性能良好。试验结果见表3。表3 K型薄膜热电偶稳定性结果温度离散系数1#2#3000.22%0.24%3500.23%0.26%4000.34%0.39%4500.27%0.20%5000.33%0.24%5500.24%0.20%6000.14%0.15%6500.28%0.28%7000.09%0.10%7

11、500.08%0.08%8000.07%0.07%8500.06%0.05%9000.06%0.07%9500.02%0.01%注2：在计算其离散系数时采用标准偏差/平均值的方式。离散系数计算公式为：4.1.2 NiCr-NiSi（K型）薄膜热电偶重复性试验为保护热电偶不在高温时出现损坏，在对薄膜热电偶进行重复性标定试验时，分别在两个温度范围内进行试验。检定炉控制温度300550，每50升温重复试验5次，在检定炉控制温度为600850时，每50升温重复试验3次，用贝塞尔3公式对试验结果标准值与被校准温差的标准偏差进行计算，用测温偏差的标准偏差作为衡量其重复性的方法。校准结果重复试验结果见图 6

12、图9；重复性结果见表4、表5。 图6 K型薄膜热电偶1#温度曲线（300550） 图7 K型薄膜热电偶2#温度曲线（300550）图8 K型薄膜热电偶1#温度曲线（600850）图9 K型薄膜热电偶1#温度曲线（600850）表4 K型薄膜热电偶重复性结果（300550）温度标准偏差1#2#3001.9531.2673500.6930.3324000.1970.1534500.4180.4675001.2230.8335502.6931.183表5 K型薄膜热电偶重复性结果（600850）温度标准偏差1#2#6000.053 0.000 6500.030 0.000 7000.003 0.03

13、0 7500.213 0.163 8000.030 0.000 8500.083 0.013 注3：用贝赛尔公式计算实验标准偏差s(ti)。求测量数据中测温偏差ti、测温偏差ti的平均值，测量次数为n，按下列公式计算实验标准偏差s(ti)：由试验结果可以得出以下结论：1）K型薄膜热电偶的离散系数小，在900以下稳定性好。2）由于其在高温下没有信号输出，故使用温度范围在900以下，且试验结果标准值与被校准温差的标准偏差小，其重复性好。3）曲线中R理解为相关系数，其直观反应两个变量间是否存在相关关系及这种相关性的密切程度，曲线图6图9中趋势线进行拟合处理，由R² 值可以看出线性关系密切。

14、 4）其线性关系结合K型薄膜热电偶SeeBack系数结果可以直接体现薄膜热电偶满足利用SeeBack系数对温度计算的要求。3.2 NiCrSi-NiSiMg（N型）薄膜热电偶温度标定 N型热电偶在900高温下抗氧化性能良好，但800后热电偶膜层测温无数据输出。在薄膜热电偶试制阶段，选择耐高温绝缘性好的陶瓷热电偶做基底，在陶瓷热电偶表面镀NiCrSi-NiSiMg薄膜层，膜层厚度1m，在敏感层表面镀制1m的Al2O3做为保护层，利用数字电压表对信号进行采集，输出信号为电压信号，参照热电偶分度表用差值法将电压信号计算为温度。在对电压信号进行处理之前，需要对薄膜热电偶SeeBack数进行评定，确定其

15、是否适用分度表进行计算。对N型热电偶，其标准SeeBack约为0.0390mv/，SeeBack校准结果为3次试验取每50计算的SeeBack系数的平均值，结果见表6，由表6可认为在700以下其温度的处理适用分度表。表6 N型薄膜热SeeBack系数结果温度SeeBack系数1#2#4004500.0350.0354505000.0380.0385005500.0370.0375506000.0390.0396006500.0390.0396507000.0440.0447007500.0540.0517508000.0580.0553.2.1 NiCrSi-NiSiMg（N型）薄膜热电偶稳定

16、性试验对薄膜热电偶进行稳定性标定试验，在N型薄膜热电偶结点的背部位置焊接0.5mm的N型热电偶丝，将热电偶固定在检定炉核心区位置，用数字多用表采集信号。每个温度点以采样间隔0.5秒记录300组试验数据，对其试验结果稳定性进行计算，用离散系数作为衡量其稳定性的标准，薄膜热电偶测温稳定性能良好。试验结果见表7。表7 N型薄膜热电偶稳定性结果温度离散系数1#2#4000.003%0.005%4500.002%0.004%5000.003%0.004%5500.005%0.005%6000.004%0.003%6500.003%0.003%7000.004%0.004%7500.007%0.006%8

17、000.010%0.007%3.2.2 NiCrSi-NiSiMg（N型）薄膜热电偶重复性试验对薄膜热电偶进行重复性标定试验，在N型薄膜热电偶结点的背部位置焊接0.5mm的N型热电偶丝，将热电偶固定在检定炉核心区位置，用数字多用表采集信号。检定炉控制温度400800，每50升温重复试验3次，用贝塞尔公式对5次试验结果标准值与被校准温差的标准偏差进行计算，用测温偏差的标准偏差作为衡量其重复性的方法。试验结果温度曲线见图 10、图11；重复性结果见表8。 图10 N型薄膜热电偶1#温度曲线 图11 N型薄膜热电偶2#温度曲线表8 N型薄膜热电偶重复性结果温度标准偏差1#2#4001.4531.08

18、34500.5430.6635000.0900.4935500.5701.8906000.3330.5636502.6130.1207000.0000.0007500.0000.0008000.0000.000由试验结果可以得出以下结论：1) N型薄膜热电偶的离散系数小，在800以下稳定性好。2）相比于K型薄膜热电偶，其使用温度上限略显不足。3） 曲线中R理解为相关系数，其直观反应两个变量间是否存在相关关系及这种相关性的且程度，由曲线图10中趋势线进行拟合处理y = 1.078x - 24.78，R² = 0.993、曲线图11 中趋势线进行拟合处理y = 1.064x - 16.36，R² = 0.995 可以看出线性关系密切。 4）其线性关系结合N型薄膜热电偶SeeBack系数结果可以直接体现薄膜热电偶满足利用SeeBack系数对温度计算的要求。4 结论 薄膜热电偶具有体积小、精度高等特点，根据不同使用温度，选取不同材质薄膜热电偶可以体现出更好的效果。通过对不同材质制作的薄膜热电偶性能的分析，得到以下结论：1）在950以下的环境温度中，NiCr/NiSi薄膜热电偶优势较为明显，无论是稳定性，重复性，SeeBack系数的线