高精度NiCr_NiSi薄膜热电偶高温测试系统.pdf

2024 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:国家重点研发计划(2020YFB2009103)收稿日期:2023-06-19高精度 NiCr/NiSi 薄膜热电偶高温测试系统阮 勇1,肖 倩2,韩玉宁2,刘海龙2,李嘉恒2,吴 宇3,石 萌4,董和磊51.清华大学精密仪器系;2.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院;3.启元实验室;4.淄博高新技术产业开发区 MEMS 研究院;5.中北大学半导体与物理学院 摘要:针对航空发动机涡轮叶片和燃烧室内壁等高温恶劣环境下对温度测量的迫切需求,提出了一种基于薄膜热电偶的高精度测温方法。采用磁控溅射法在 SiC 衬底上制备了 NiCr/NiSi 薄膜热电偶。完成了薄膜热电偶的设计与制备,并设计了一套高精度温度数据采集系统,主控芯片采用 STM32,数据采集芯片采用 16 位高精度芯片 ADS1118,实现了对高温恶劣环境下温度数据的实时采集。结果表明:设计制备的 NiCr/NiSi 薄膜热电偶能够实现-401 000 温度区间稳定测温,高精度测温系统与标准温度测量系统相比误差优于0.4%,为高温恶劣环境下温度测量提供了有效且可靠的解决方法。关键词:高温;高精度;薄膜热电偶;测温电路中图分类号:TH811 文献标识码:AHigh Temperature Test System Based on High PrecisionNiCr/NiSi Thin Film ThermocoupleRUAN Yong1,XIAO Qian2,HAN Yuning2,LIU Hailong2,LI Jiaheng2,WU Yu3,SHI Meng4,DONG Helei51.Department of Precision Instruments,Tsinghua University;2.School of Instrumentation Science and Optoelectronic Engineering,Beijing University of Information Technology;3.Qiyuan Laboratory;4.MEMS Institute of Zibo NationalHigh-Tech Industrial Development Zone;5.School of Semiconductors and Physics,North University of ChinaAbstract:A high-precision temperature measurement method based on thin-film thermocouples was proposed to meet the ur-gent need for temperature measurement in high-temperature and harsh environments,such as turbine blades and combustion chamber walls in aviation engines.NiCr/NiSi thin-film thermocouples were prepared on SiC substrates using magnetron sputte-ring.The design and fabrication of the thin-film thermocouples were completed,and a high-precision temperature data acquisition system was designed.The main control chip adopted STM32,and the data acquisition chip used a 16-bit high-precision chip ADS1118,enabling real-time temperature data acquisition in high-temperature and harsh environments.The results show that the designed and fabricated NiCr/NiSi thin-film thermocouples can achieve stable temperature measurement at-40 to 1 000 .The high-precision temperature measurement system has an error better than 0.4%compared to the standard temperature meas-urement system,providing an effective and reliable solution for temperature measurement in high-temperature and harsh environ-ments.Keywords:high temperature;high precision;thin film thermocouple;temperature measurement circuit0 引言近年来,随着航空发动机性能的不断提高,发动机内各部件经常在高温高压等恶劣环境下工作,如航空涡轮叶片的工作温度高达 1 676 1,燃烧室内壁工作温度高达 1 526 2,航天器外表面瞬时升温高达 1 800 3,为了避免温度过高对发动机带来损伤,需要对发动机温度进行实时监测,以便判断发动机健康状态,采取相应的措施4-5。如今,虽然已经开发出多种热传感器用于高温测量,如热电偶、红外传感器、光学传感器等6-10,但在航空发动机内部,环境条件极其恶劣,因此需要一种能够在高温恶劣环境下对温度进行精确测量的方法。薄膜热电偶热具有容量小、热电响应快、抗剥落、抗热冲击性能优异、对工作环境干扰小等优点,可以用作发动机在工作期间的温度测量11-13。因此,本研究选择薄膜热电偶温度传感器作为研究对象。针对薄膜热电偶的温度测量系统,崔云先14等设计了基于 WiFi 无线传输的薄膜热电偶温度采集系统,温度分辨力为 0.16。王安敏等15设计了基于 ADS1248 的高精度测温装置,采用分段线性差1 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期值进行数据处理,测温精度达到0.01。丁润琦等16采用 AD590 芯片实现了 0 1 600 大量程测温,但该芯片是单通道的单点测量,不能满足产品加工过程中的实时监测的需求。针对高温恶劣环境下实时测量温度的需求,本文采用磁控溅射法制备了 NiCr/NiSi 薄膜热电偶,并设计了一套以 STM32 为主控,采用 ADS1118 芯片进行数据采集和冷端补偿的高精度测温系统,能够实现更宽范围的温度测量,实时获取热电偶的测量温度,本设计测温系统与温度标定系统相比误差优于0.4%。1 MEMS 薄膜热电偶的设计与制备常见的薄膜热电偶有片状、针状、嵌入型和微型薄膜热电偶17-18,根据航空发动机的应用场景,本研究选取 MEMS 工艺制备的微型薄膜热电偶,该结构表面平整,能够与多种被测物表面有效贴合,结构强度高且稳定性好,薄膜热电偶尺寸小,可实现批量生产且成本较低。NiCr/NiSi 合金是应用广泛的廉价热电偶金属材料之一,长期使用的温度可达 900,短期使用温度高达 1 200。该材料中含有大量镍,使其在高温下具有很强的抗腐蚀和抗氧化能力,且具有灵敏度高、线性度好和响应时间快等特点19,因此本研究选择 NiCr/NiSi 作为薄膜热电偶的两种电极材料。NiCr/NiSi 薄膜热电偶制备工艺流程如图 1 所示,首先将 SiC 衬底(6 英寸,1 英寸=2.54 cm,厚度为400 m)放入酒精和丙酮清洗,再采用掩模图形化和磁控溅射法在 SiC 衬底上沉积 Ti(厚度为 50 nm)作为粘附层,然后在 Ti 上沉积 NiCr/NiSi 薄膜热电偶的两个电极(厚度为 400 nm,电极尺寸为 7 500 m 400 m,热结点尺寸为 100 m400 m,引脚尺寸为1 200 m1 200 m),最后在薄膜热电偶上沉积 SiC(厚度为 1 m)作为保护层。热电偶制备完成之后,通过导电银浆将热电偶的电极与补偿导线连接,从而实现电信号的输出。2 高精度热电偶温度数据采集系统设计2.1 系统总体设计热电偶测温原理是利用塞贝克效应,当热端和冷端产生温差时,会输出热电势,可以通过测量温差和热电势来获取热端的温度。为此,设计了一个热电偶温度数据测量系统,总体设计如图2 所示,系统由以下模块组成:热电偶信号调理模块、冷端补偿模块、电源模块、微处理器模块、无线传输模块和上位机模块。系统采用 STM32F103RCT6 作为主控芯片,其运算速度高达 72 MHz,具有低功耗、高性能、低成本、速图 1 NiCr/NiSi 薄膜热电偶制备工艺流程图图 2 高温测试系统设计度快等特点,同时该芯片内置了多种接口,包括 SPI、UART、EEPROM、FLASH、JTAG 等20-21,能够实现对温度数据的采集、处理、存储和传输。具体实现的流程为:通过信号调理电路将薄膜热电偶的输出热电势经过信号滤波、信号放大处理之后,将其送入高精度A/D 转换器中,转换器将模拟信号转换为数字信号,由 STM32 微处理器读取 ADC 输出的热电势。冷端使用补偿导线连接,采用内置集成温度传感器来测量冷端温度,将冷端温度数据发送到微处理器,通过软件补偿的方法来对冷端温度进行补偿,最终求得热端温2 第 2 期阮勇等:高精度 NiCr/NiSi 薄膜热电偶高温测试系统 度,将热端温度数据显示在 OLED 显示屏上,并通过无线传输实时发送到上位机进行显示和存储。2.2 硬件电路设计2.2.1 信号调理与冷端补偿电路热电偶的输出信号是一个极其微弱的 mV 电势信号,在传输过程中容易受到外界的干扰,因此在对热电偶进行信号采集时,需要对前端电路进行信号放大、滤波等处理,减少干扰。同时,热电偶的输出信号是模拟信号,需要对其进行 AD 转换,将模拟信号转成数字信号,最终发送到微处理器进行处理。基于以上特点,设计了如图 3 所示的信号调理电路。在热电偶的两个输出端通过上、下拉电阻接入低通滤波器,并采用全差分的方式进行信号输入,以减少共模干扰和差模噪声的影响。同时,选取16 位高精度温度传感器 ADS1118 芯片作为 A/D 转换器,该芯片可以外接 4 路差分形式的模拟输入信号,集成了低噪声可编程的增益放大器,放大倍速高达 128 倍,且具有高达 860 SPS 的采样速率,能够实现对微弱模拟信号的精确测量,同时其内部的数字滤波器能够减弱信号的干扰,提高数据采集的精度。芯片内置 SPI 通信接口,能够直接与 MCU 微处理器进行数字通信,将采集的热电势发送到微处理器进行处理。图 3 热电偶信号调理设计原理图由于热电偶的输出热电势是相对于参考端温度的,所以需要将参考端置于冰点恒温槽中,以保证参考端温度为 0,不受周围环境的影响。但实际情况中,很难保证热电偶的参考端温度始终为 0,因此需要 对 参 考 端 温 度 进 行 冷 端 补 偿 和 修 正 处 理。ADS1118 芯片内部集成了一个线性度高的温度传感器,温度测量分辨率为 0.03,满足高精度需求。将热电偶的参考端通过补偿导线与内置集成温度传感器连接,测量出参考端的温度,并通过对应热电偶温度-电势多项式,将冷端温度转换为对应的热电势,与热电偶的输出热电势相加,得到冷端补偿后的电势。针对非线性导致的测量误差,采用分段线性插值法来进行修正22,根据电势-温度多项式求解得到实际的测量温度,这一过程称为软件补偿。该芯片不仅实现了对热电偶热电势数据的采集,还对热电偶的冷端进行了补偿和修正,简化了电路设计。2.2.2 电源电路设计电源电路提供 5 V 电压输出,能够实现为主控芯片、信号调理芯片、无线传输芯片提供电源,由于主控芯片及其外围电路需要 3.3 V 的电压,因此选用低功耗的 AMS1117-3.3 电源芯片,其内部集成过热保护和限流电路,能够实现将电压由 5 V 降至 3.3 V,正常供电的同时也更有效地利用电池电量,延长电池的供电时间,电路设计原理图如图 4 所示。图 4 电源稳压设计原理图2.3 软件程序设计热电偶温度数据采集系统的软件程序设计流程图如图 5 所示,系统主要包括数据采集、数据处理、无线通信、数据显示和存储,能够实现将热电偶采集的数据进行处理和存储,最终通过 WiFi 无线通信实时将数据显示在 PC 端上。图 5 程序设计流程图2.3.1 程序初始化系统开始工作之前,首先需要进行初始化处理,3 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期主要包括系统时钟、系统中断和定时器等固件的初始化以及数据采集芯片 ADS1118、OLED 显示器、无线传输芯片 ESP-01S 的初始化。2.3.2 连接 WiFi初始化完成之后,在上位机端配置并连接 WiFi,在此期间程序发生阻塞,直到下位机与上位机连接完成,显示屏显示开始测量界面才开始下一步的工作。2.3.3 数据采集STM32 主控芯片通过 SPI 接口对数据采集芯片下发指令,采集芯片开始采集热电偶输出的热电势 Vt,同时芯片内置的温度传感器开始测量冷端温度 Tc。2.3.4 数据处理主控芯片读取到热电势 Vt和冷端温度 Tc后,开始对数据进行处理。首先根据电势与温度曲线,将冷端温度 Tc换算为冷端热电势 Vc,再将冷端热电势 Vc与采集的热电势 Vt相加,得到冷端补偿后的热电势Va,最后根据热电势与温度的关系,利用分段线性插值法求得热电势与温度曲线计算出热端的温度 Th。2.3.5 数据显示与存储主控芯片得到温度数据 Th之后,一方面将温度数据显示到下位机集成的 OLED 显示屏上,另一方面通过无线通信将数据实时发送到上位机端进行显示和存储。3 结果和讨论将制备好的薄膜热电偶置于管式炉中,设置温度范围为-401 000,对薄膜热电偶进行静态标定,所得温度与热电势的关系如图 6 所示。图 6 薄膜热电偶的热电特性对标定结果按照式(1)进行二次多项式拟合。E(T)=A(T)2+B(T)+C(1)式中:E(T)为热电偶输出热电势;T 为冷热端温差;A,B,C 为多项式系数。根据热电偶工作原理,当冷热端温差 T 为 0 时,薄膜热电偶输出热电势为 0 mV,故拟合常数项 C=0。拟合结果如表 1 所示。表 1 NiCr/NiSi 薄膜热电偶静态标定曲线二次多项式拟合结果A/(10-7 mV-2)B/(mV-2)C/mVR26.559 420.040 9200.999 2 从二次项拟合结果可以看出,二次项系数的数量级在 10-7以下,并且拟合相关系数 R2大于 0.999。说明薄膜热电偶的输出热电势和温差 T 之间有良好的线性关系。对标定结果进行一次拟合得到其平均塞贝克系数为 41.43 V/,与标准 K 型热电偶能很好匹配。完成了薄膜热电偶的制备和软硬件测试系统的搭建之后,为了检测薄膜热电偶测温系统的精度,将制备好的薄膜热电偶热端放入可调节的恒温炉中,在-401 000 取15 个温度点进行测量,冷端通过补偿导线与电路测试系统连接,并在显示屏上实时显示测量温度,测试系统示意图如图 7 所示。图 7 测试系统示意图本文设计的温度测量系统与标准温度测量系统测试结果分别如图 8 和图 9 所示,实测数据如表 2 所示,可知测量误差最大值为 4.047。图 8 高精度温度测量系统实验结果图 9 标准温度测量系统实验结果4 第 2 期阮勇等:高精度 NiCr/NiSi 薄膜热电偶高温测试系统 表 2 标准温度与测量温度对比表标准温度测量温度测量误差-40.40-39.647-0.753-30.56-30.475-0.085-20.59-20.585-0.005-10.61-10.574-0.036-0.450.895-1.345100.70101.887-1.187200.91201.936-1.026294.55298.182-3.632391.75390.6491.101494.38491.4112.969590.09589.9490.141690.37688.8131.557792.03788.7743.256891.62887.5734.047992.11988.9553.155 将测量温度与炉内标准温度数据曲线进行对比,如图10 所示,可以看出测量温度曲线与标准温度曲线重合度极高,表明热电偶测温性能很好。在-40 1 000 全量程范围下,测量误差分布如图 11 所示,精度在0.4%以内,测温精度满足设计指标,达到了高温测试高精度的需求。图 10 标准温度与测量温度对比关系图 11 高精度温度测量系统误差百分比4 结束语本文针对高温恶劣环境下实时测量温度的需求,采用磁控溅射方法在 SiC 衬底上制备了 NiCr/NiSi 薄膜热电偶,实现了-401 000 温度区间稳定测温。并设计了基于 STM32 的高精度温度数据测量系统,实现了对高温恶劣环境下温度数据的实时采集。本设计的高精度温度测量系统与标准温度测量系统相比误差优于0.4%,实现薄膜热电偶在高温恶劣环境下的高温、高精度测量,在航空航天、冶金冶炼、切削加工等领域具备广阔的应用前景。参考文献:1 ZHANG Z,TIAN B,YU Q,et al.Range analysis of thermal stress and optimal design for tungsten-rhenium thin film ther-mocouples based on ceramic substratesJ.Sensors,2017,17(4):857.2 TIAN B,LIU Z,ZHANG Z,et al.Effect of film deposition rate on the thermoelectric output of tungsten-rhenium thin film 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microphoneJ.Optics Express,2020,28(5):6618-6630.10 曹群,贾平岗,熊继军,等.MEMS 光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现J.传感技术学报,2015,28(8):1141-1148.11 叶晨.光纤 MEMS 法布里-珀罗传感器解调方法研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.12 高凯波,李佳明,颜正强,等.基于 MG-Y 激光器的光纤法珀传感器信号处理系统J.仪表技术与传感器,2023(4):62-65.13 韩慧阳.光纤麦克风光电信号处理技术的研究D.大连:大连理工大学,2019.14 翟杰,鲁平.一种基于复合金属薄膜的 EFPI 型光纤声波传感器J.半导体光电,2022,43(4):723-727.15 聂峰.基于法布里-珀罗腔光纤声传感技术研究D.成都:电子科技大学,2019.作者简介:曾灏(2000),硕士研究生,主要研究方向为光纤传感技术。E-mail:328982816 袁嫣红(1967),教授,硕士生导师,主要研究领域为现代纺织装备机电一体化技术,光纤传感器测量系统。E-mail:yyh (上接第 5 页)14 崔云先,谢英男,殷俊伟,等.WiFi 无线传输的薄膜热电偶温度采集系统设计J.仪表技术与传感器,2023(3):58-64.15 王安敏,孟海彦,李锋,等.基于 ADS1248 的铂电阻高精度测温装置J.仪表技术与传感器,2017(9):52-54.16 丁润琦,甄国涌,张凯华.温度传感器 S 型热电偶测温电路设计J.中国测试,2020,46(1):99-104.17 沈胜强,张志千,滕叙充,等.薄膜热电偶及其对燃烧室壁面瞬态温度的测量J.小型内燃机,1988(2):1-7.18 叶方伟.薄膜热电偶的发展及其应用J.材料导报,1995(5):28-32.19 崔云先.瞬态切削用 NiCr/NiSi 薄膜热电偶测温刀具研究D.大连:大连理工大学,2011.20 于涛,伍川辉,邓越,等.基于 STM32 的动车组轴温监测报警系统J.仪表技术与传感器,2022(6):62-66.21 韩宾,易志强,江虹,等.一种高精度多通道实时数据采集系统设计J.仪表技术与传感器,2019(9):42-45.22 张光春,曲果丽,范坤泰.分段插值法用于热电偶非线性补偿J.传感器技术,1994(6):43-46.作者简介:阮勇(1976),研究员,博士,主要研究领域为MEMS 加工技术及其相关器件。E-mail:ruanyong 肖倩(1999),硕士研究生,主要研究领域为恶劣环境用 MEMS 传感器与执行器。E-mail:xiaoqian_mys 01