[發(fā)明專利]一種采用激光器對(duì)薄膜熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定的系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010166350.7
• 申請(qǐng)日: 2010-05-07
• 公開（公告）號(hào): CN101858797A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔云先;楊德順;賈穎;王亞楠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01K15/00
• 分類號(hào): G01K15/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李洪福

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種瞬態(tài)溫度傳感器的標(biāo)定方法，特別是一種采用激光器對(duì)薄膜熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

在高速切削中，切削區(qū)的瞬態(tài)切削溫度的測(cè)量是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。實(shí)時(shí)監(jiān)控并精確的反映切削過程中切削區(qū)的溫度變化是非常必要的。薄膜熱電偶是一種先進(jìn)的測(cè)量瞬變溫度的傳感器，其測(cè)量原理與普通熱電偶相同。薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)特性或動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力常用時(shí)間常數(shù)τ來表示。傳統(tǒng)的熱電偶動(dòng)態(tài)標(biāo)定常用方法有三種：階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法和斜坡信號(hào)法。這些方法均將熱電偶的動(dòng)態(tài)特性看成一階慣性環(huán)節(jié)，由動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)曲線確定動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。薄膜熱電偶熱接點(diǎn)熱容量小，時(shí)間常數(shù)τ小，由于很難獲得與薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)相適應(yīng)的溫度階躍信號(hào)或脈沖信號(hào)，因此采用傳統(tǒng)方法必然產(chǎn)生較大誤差，而且薄膜熱電偶常附著在特定的基體上，傳統(tǒng)的標(biāo)定方法很難消除基體熱容對(duì)薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)特性的影響。目前比較先進(jìn)的方法基本都是基于激光的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法。例如，威斯康星州立大學(xué)機(jī)械工程系的Hongseok?Choi，XiaochunLi等人為了監(jiān)測(cè)激光焊接過程中能量的分布，使用K型薄膜熱電偶分布在激光軌跡的周圍，通過薄膜熱電偶來觀察激光焊接能量的轉(zhuǎn)變。在借鑒前人用激光加熱薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，中北大學(xué)的研究人員提出用連續(xù)二氧化碳激光器和摻釹玻璃脈沖激光器作為激勵(lì)源分別用于對(duì)瞬態(tài)高溫傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定等。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的激勵(lì)信號(hào)不論采用何種措施，都不可能達(dá)到理想激勵(lì)信號(hào)，在計(jì)算動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)時(shí)設(shè)輸入信號(hào)為理想波形勢(shì)必會(huì)帶來誤差。采用上述方法很難得到與薄膜熱電偶微秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間相匹配的激光激勵(lì)信號(hào)的脈沖寬度。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的脈沖寬度與被校溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間之比近似認(rèn)為是瞬態(tài)無限大時(shí)，可以作為脈沖輸入，由一階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)可方便得到其響應(yīng)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)的采用激光器對(duì)薄膜熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定的系統(tǒng)及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種采用激光器對(duì)薄膜熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定的系統(tǒng)，包括激光試驗(yàn)臺(tái)靶架、連續(xù)He-Ne激光器、透鏡組、精密放大器、DT9800動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、計(jì)算機(jī)及測(cè)試軟件，所述的連續(xù)He-Ne激光器發(fā)出的激光經(jīng)透鏡組照射到安裝于激光試驗(yàn)臺(tái)靶架的薄膜熱電偶上，所述的薄膜熱電偶通過數(shù)據(jù)電纜依次與精密放大器、DT9800動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀和計(jì)算機(jī)連接，所述的測(cè)試軟件安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)，所述的系統(tǒng)還包括激光器控制電源、Ultra-CFR短脈沖激光器和倍頻晶體，所述的激光器控制電源通過電力電纜與Ultra-CFR短脈沖激光器連接，所述的Ultra-CFR短脈沖激光器發(fā)射的激光經(jīng)倍頻晶體照射到激光試驗(yàn)臺(tái)靶架的薄膜熱電偶上。

本發(fā)明所述的Ultra-CFR短脈沖激光器作為激勵(lì)熱源，其脈沖寬度為8ns，單脈沖能量為50mJ。

本發(fā)明所述激光器控制電源集成了水冷系統(tǒng)，同時(shí)可控制Ultra-CFR短脈沖激光器的脈沖輸出頻率。

本發(fā)明所述的精密放大器采用AD524精密放大芯片搭建放大電路。

本發(fā)明所述的DT9800動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀的最高采樣頻率可達(dá)100kHz。

一種采用激光器對(duì)薄膜熱電偶進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法，包括以下步驟：

A、采用Ultra-CFR短脈沖激光器作為激勵(lì)熱源，設(shè)置激光參數(shù)為：重復(fù)頻率1～10Hz可選調(diào)，脈沖持續(xù)時(shí)間8ns不可調(diào)，激光能量50mJ；

B、將被標(biāo)定薄膜熱電偶安裝在激光試驗(yàn)臺(tái)靶架上；

C、將NiCr補(bǔ)償導(dǎo)線通過導(dǎo)電銀膠與NiCr薄膜連接，將NiSi補(bǔ)償導(dǎo)線通過耐高溫導(dǎo)電銀膠與NiSi薄膜連接，將NiCr補(bǔ)償導(dǎo)線、NiSi補(bǔ)償導(dǎo)線經(jīng)過通槽引出，并用絕緣膠固定和絕緣；

D、將NiCr補(bǔ)償導(dǎo)線、NiSi補(bǔ)償導(dǎo)線分別與精密放大器的1、2引腳連接，將精密放大器的輸出端與DT9800動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀的輸入端連接，將DT9800動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀接入計(jì)算機(jī)；

E、將連續(xù)He-Ne激光器產(chǎn)生波長為632.8nm紅光通過透鏡組照射到薄膜熱電偶上，使連續(xù)He-Ne激光器的紅光光斑與薄膜熱電偶熱接點(diǎn)中心重合，為加熱激光光斑定位；