薄膜热电偶传感器综述.docx

薄膜热电偶传感器综述
薄膜热电偶温度传感器综述
摘 要: 随着低维材料技术的发展和对测温要求的提高，薄膜热电偶温度传感器应运而生，其快速响应特性为测量瞬变温度提供了可能。着重介绍了薄膜临界厚度的确定、扩散感器能检测到微弱的信号变化，容易受到干扰发生波动。因此应该选用稳定性好、波动小、误差小的热源，并且等待热源设备的显示温度完全稳定后再读数。
（3）信号采集速度及采集精度
丝状热电偶灵敏度较差，输出热电势相对稳定，可以直接读数。对于响应速度快、灵敏度高的薄膜热电偶传感器来说，其输出热电势随热源波动较大，直接读数存在很大的困难。因此，薄膜热电传感器进行静态标定时，应该采用采集速度较快的数据采集卡进行数据记录，并对采集数据进行剔除粗大误差及求均值等处理。
标定过程及装置
为了更好地评价所制备的金-铂薄膜热电偶传感器的静态性能指标，按照JJG 542-1997 金-铂热电偶检定规程的要求，对金-铂薄膜热电偶进行静态标定。
由于加热过程所限，分别使用水槽、油槽和恒温槽对传感器进行分区间的静态标定，即 0~100℃采用水槽标定，100~300℃采用油槽标定，300~500℃采用检定炉标定。标定装置参数如下：
（1）Pt100 标准铂电阻一支；
（2）金-铂热电偶一支；
（3）WS-I 水槽（波动度：℃/5min）；
（4）HWY-I 油槽（波动度：℃/5min）；
（5）YG-3 检定炉（使用温度：300~1300℃）；
（6）恒温冰点器一台；
（7）HP34970A 高精度采集卡（位数：6 位半，测量范围：100mV~1000V，
最小分辨率：）。
按照不同的设定温度，把待检传感器和标准器的测量端依次放入标准恒温水槽、标准恒温油槽和检定炉中，将参考端放入冰点器中。设定热源温度，待温度达到设定值，并且误差恒定在±1℃内，温度波动不大于 ℃时，用 6 位半数据采集卡记录被测薄膜热电偶传感器的热电势值。
标定结果及精度分析
静特性表示传感器处于稳定状态时的输入输出关系，由于存在迟滞、蠕变、摩擦以及外界环境的影响，一般不会符合线性关系。本课题针对传感器的准确度、不确定度、重复性及工艺的一致性等指标进行实验和评价。
准确度实验及结果
试验温度为室温~500℃，将待检金-铂薄膜热电偶（标记为 1#）与标准热电
偶，依次放入水槽、油槽和检定炉中，每隔 10℃调节热源并设定温度，等待
30min，待温度稳定后读取数据采集卡中的记录，数据记录于表 中。
表 1#热电偶静态标定结果
按照不同的温度区间，将 1#待检热电偶的输出热电势与标准热电势值直接拟合于图 中。从图中可以看出，被检与标准的输出热电势接近，其中中温段的误差较小。
图 1#金-铂薄膜热电偶静态标定拟合曲线
图 1#金-铂薄膜热电偶静态标定拟合曲线
准确度分析
工业上常用最大引用误差作为判断准确度等级的标准，用最大引用误差百分数的分子作为系统（或检测仪器）精度等级的标志[11]。本课题采用最大引用误差来评价传感器的精度，其计算公式如下：
根据上述公式，可以计算出被检金-铂薄膜热电的最大误差为 % 。
不确定度分析
静态测量的不确定度是指传感器在其全量程内任一点的输出值与理论值的可能偏离程度，求取方法为把输出数据与拟合直线上的对应值的残差看成是随机分布，求其标准偏差σ 。
不确定的 A 类评定是用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度的方法，A 类标准不确定度用实验标准差表征，评定方法主要有贝塞尔法、极差法、最小二乘法等。其中，贝塞尔法最为常见，该方法的特点就是利用残余误差平方和来对方差σ2 作出估计。
表征测量结果分散性的量，称为实验标准偏差，简称标准误差或标准差，贝塞尔公式计算下的标准差σ（或 S）如下：
其中，Δy i为各测试点的残差；
为被测量的算术平均值；
n 为测试次数。
算术平均值的实验标准差如下：
静态不确定度表示如下：
根据上式可以计算得出，所研制薄膜热电偶传感器的标准偏差为 ，其静态测量的不确定度为±% 。
重复性分析
重复性是评价传感器是否能够长期保持稳定工作的一个重要指标，一般是考察传感器按同一方向做全量程连续多次输入时输出的不一致程度。为了
测试所研制薄膜热电偶传感器的重复性，将 1#传感器在 0~500℃重复进行