一种基于激光加热源的热电偶均匀性测量装置和方法

本说明书涉及热电偶温度传感器，尤其涉及一种基于激光加热源的热电偶均匀性测量装置和方法。

背景技术：

1、热电偶均匀性是反映热电偶电极丝材热电特性一致性的重要指标。电极丝材在制备或使用过程中，受杂质分布、成分偏析、局部氧化、应力状态及晶粒结构不均匀等因素影响，易产生寄生电动势，从而引入测温不确定度。因此，均匀性测量是热电偶热电材料研究、质量评价及工艺优化的必要手段。

2、现有均匀性测量方法主要分为单梯度和双梯度扫描两类。其中，双梯度扫描方法通过在热电偶电极上建立局部移动热区，在热区两侧形成方向相反的温度梯度，并利用扫描过程中输出电势的变化反映热电特性的空间变化。与单梯度传统整体加热方式相比，该方法无需将整支热电偶置入大体积热源，适用于铠装、柔性及裸丝热电偶的连续长距离检测。

3、然而，双梯度扫描方法的空间分辨能力受限于局部热区尺寸。若热区作用范围过宽，则会导致热电偶响应慢、局部特征被平滑和边界分辨能力下降。

4、因此，提供一种具有高空间分辨率、能够快速识别局部不均匀特征的双梯度扫描方法，对热电偶热电特性测量具有重要的工程应用价值。

技术实现思路

1、本说明书实施例之一提供一种基于激光加热源的热电偶均匀性测量装置。所述装置包括：光纤激光器，被配置为连续输出模式，以在热电偶电极的轴向局部产生100 ℃及以上的微区温度梯度；扫描位移台，带动所述热电偶实现正反两个方向的直线运动；热电偶固定座，沿所述扫描位移台的运行方向安装；准稳态匀热盒，安装在所述热电偶固定座靠近所述热电偶的热端一侧；以及数字电压表，用于采集所述热电偶输出的电动势，采集数据连续存储或通过通信接口实时到上位机并存储。

2、在一些实施例中，所述光纤激光器的输出功率和输出的激光束照射到所述热电偶表面的光斑尺寸可调节。

3、在一些实施例中，所述扫描位移台的运行速度范围为5 mm/min-120 mm/min，运动范围大于所述热电偶的待测量区域。

4、在一些实施例中，所述数字电压表的电压分辨率≤0.1μv，采样间隔≤1.0s。

5、在一些实施例中，所述光纤激光器的输出波长为可见光；所述光纤激光器包括准直器，被配置为调节所述光纤激光器输出的激光束照射到所述热电偶表面的所述光斑尺寸；所述准直器在三维支架上的位置可调节。

6、在一些实施例中，所述热电偶固定座包括固定板、两个固定支架、压片和支撑架；所述固定板上安装所述两个固定支架、所述压片、所述支撑架、所述热电偶以及所述准稳态匀热盒；所述两个固定支架分别位于所述热电偶的所述待测量区域的两端，所述支撑架的数量为一个或多个；所述两个固定支架和所述压片通过固定件实现对所述热电偶的固定；所述两个固定支架和所述支撑架的安装位置可调节；所述固定板、所述两个固定支架、所述压片以及所述支撑架均采用隔热绝缘材料制成。

7、在一些实施例中，所述准稳态匀热盒包括金属槽、多个导热片、导热硅胶垫、金属盖和保温外壳；所述多个导热片至少包括第一导热片、第二导热片和第三导热片；所述金属槽的底部固定有所述第一导热片，所述第一导热片上通过所述第二导热片固定连接所述热电偶的热端、冷端及连接所述热端和所述冷端的连接信号线；所述热端、所述冷端和所述连接信号线由金属槽缺口进入或引出所述金属槽；所述导热硅胶垫固定于所述第二导热片上；所述金属盖的下表面固定有所述第三导热片；所述金属槽和所述金属盖通过螺钉孔压紧固定，形成金属盒；所述金属盒外周包裹所述保温外壳。

8、本说明书实施例之一提供一种基于激光加热源的热电偶均匀性测量方法。所述方法包括：

9、将热电偶的冷端正极、冷端负极分别连接至连接信号线；

10、打开准稳态匀热盒，将所述热电偶的热端、冷端及所述连接信号线通过多个导热片和导热硅胶垫固定在所述准稳态匀热盒内部；

11、确定所述热电偶的两个固定支架的安装位置，使所述热电偶的待测量区位于所述两个固定支架之间，拉紧所述热电偶使其呈直线状态，并将压片固定在所述热电偶上；

12、开启光纤激光器，设置为连续输出模式，根据所述热电偶的直径调节准直器，以使激光束照射到所述热电偶表面的光斑尺寸适配所述热电偶的直径，根据预设测试温度，确定所述光纤激光器的输出功率，通过测温仪确认所述微区温度；

13、调整三维支架的位置，将所述激光束对准所述热电偶，并沿正反两个方向快速移动扫描位移台，带动所述热电偶运动，确保所述光斑在所述热电偶的正上方；

14、根据热电偶均匀性的测量要求，重新设置所述扫描位移台的运行速度，开启数字电压表，待所述光纤激光器、所述数字电压表以及所述准稳态匀热盒达到热稳定状态后，开启所述数字电压表的数据存储功能，驱动所述扫描位移台并使所述激光束对所述热电偶进行测量；

15、导出所述数字电压表采集的电动势数据及对应的位移数据，以位移为横坐标、电动势为纵坐标生成所述热电偶的输出曲线，将所述输出曲线中所述电动势偏离预设基准值的位置确定为不均匀区域，并根据偏离幅值确定所述热电偶均匀性。

16、在一些实施例中，所述将热电偶的冷端正极、冷端负极分别连接至连接信号线，包括：将所述热电偶的所述冷端正极、所述冷端负极通过空心铜管分别与对应的所述连接信号线压接。

17、在一些实施例中，所述将所述热电偶的热端、冷端及连接所述热端和所述冷端的连接信号线通过多个导热片和导热硅胶垫固定在所述准稳态匀热盒内部，包括：根据金属槽的尺寸，裁剪3块相同尺寸的导热片，3块导热片包括第一导热片、第二导热片和第三导热片；将所述第一导热片固定于所述金属槽的底部；通过所述第二导热片，将所述热端、所述冷端及所述连接信号线固定于所述第一导热片上；将所述第三导热片固定于金属盖的下表面的正中位置；将所述热端、所述冷端及所述连接信号线从金属槽缺口进入或引出所述金属槽；裁剪导热硅胶垫，使其长度尺寸小于所述金属槽内腔的长度尺寸，以及宽度尺寸小于所述金属槽内腔的宽度尺寸，并将所述导热硅胶垫固定在所述第二导热片上，且所述导热硅胶垫与所述金属槽的内壁留有间隙；所述金属槽和所述金属盖固定，形成金属盒；在所述金属盒的外周包裹保温外壳。

18、在一些实施例中，所述根据预设测试温度，确定所述光纤激光器的输出功率，包括：根据所述热电偶的材质和直径，设定所述光纤激光器的初始输出功率；从所述初始输出功率起，按照预设步长递增所述光纤激光器的所述输出功率；每次递增后，采用裸露式测温原件或红外热像仪测量激光加热的所述微区温度；比较所述微区温度与所述预设测试温度，直至所述微区温度达到所述预设测试温度，停止递增。

19、在一些实施例中，所述根据预设测试温度，确定所述光纤激光器的输出功率，还包括：实时采集激光照射点的实际温度；基于所述实际温度与所述预设测试温度，确定所述光纤激光器的驱动电流调整量；基于所述驱动电流调整量，动态调节所述光纤激光器的所述输出功率。

20、在一些实施例中，所述基于所述实际温度与所述预设测试温度，确定所述光纤激光器的驱动电流调整量，包括：采集沿当前扫描方向落后于所述激光照射点预设距离处的测温点温度；基于所述实际温度和所述测温点温度，确定实时温度梯度；基于所述实时温度梯度和目标温度梯度，确定所述光纤激光器的所述驱动电流调整量。

21、在一些实施例中，所述方法还包括：控制所述扫描位移台沿第一方向运行，采集并绘制正向输出曲线；控制所述扫描位移台沿第二方向运行，采集并绘制反向输出曲线，所述第二方向与第一方向相反；以及在统一物理空间坐标系下对齐所述正向输出曲线和所述反向输出曲线，并提取位于同一物理空间位置且幅值形态一致的局部重合信号，以确定所述热电偶的所述不均匀区域。

22、与现有技术相比，本说明书实施例的优点和积极效果在于：创新提出了一种热电偶均匀性高分辨率、快速检测方法。采用连续光纤激光器实现轴向微区局部加热，可形成100℃以上可控微区温度梯度，实现热电偶均匀性的空间高分辨检测；激光束加热集中、效率高，热电偶均匀性扫描速度更快，检测效率高；准稳态匀热盒采用金属块、石墨烯、导热硅胶垫以及保温外壳形成高导热结构与保温设计，避免了热电偶冷端、热端与环境温度形成温度梯度，显著减小了传统方法热端与冷端附近存在的温度梯度对均匀性检测的干扰。