温度系数测试仪的研制

林 波，赵乃辉，赵子龙，邹 森

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

温度系数测试仪模拟了在太空真空环境温度大范围变化的环境中，采集记录并测试工件的温度系数变化情况。

目前，国内外温度变化范围在-160℃～＋140℃的温度系数测试仪尚属空白，该技术能够提供在高真空环境中温度从-160℃到＋140℃的转换环境。其优点是抽气速度快，能够在20 min内达到0.1 Pa以下并保持工作真空＜0.1 Pa。在-160℃～＋140℃整个温度范围内工件表面不会出现结霜现象。工件温度在＋10℃～＋140℃之间升温速度连续可调，并可停留在其间任意温度进行测试，测温精度可达±0.2℃。

目前我国航空航天事业蓬勃发展，很多器件都需要做模拟太空温度环境变化的试验。该设备填补了国内在环境试验方面的一个空白，为模拟太空中真空环境及大范围的温度变化情况提供了一种新的实验环境。

1 控制流程图

实际生产中温度系数测试仪的工艺流程，如图1所示。

2 设备主要技术指标

工作腔体尺寸：φ320 mm×400 mm

工作台尺寸：200 mm×200 mm

工作真空：0.1 Pa

工作温度：-160℃～＋140℃

抽气速度：20 min内达0.1 Pa

压 升 率：2 Pa/h

温度测试精度：±0.2℃

工件温度在＋10℃～＋140℃之间升温速度连续可调，并可停留在其间任意温度，温度在-160℃～＋10℃之间靠液氮制冷降温，降温速度不可精确调节，只能通过液氮的流量简易控制。

图1 温度系数测试工艺流程

3 设备工作原理及主要结构设计

3.1 温度系数测试仪主要工作原理

通过真空泵使工作腔体内的真空度达到所需要求，而模拟太空中无大气的环境。将电池放置在冷热工作台上并与测量导线接通，通过灌入液氮和加热板来得到-160℃～＋140℃之间温度。经过太阳能照射仪的照射就可从计算机中得到所需太阳能电池的主要特性参数的温度系数。

3.2 温度系数测试仪主要结构

设备的主要机械结构见图2

温度系数测试仪主要由工作腔体、冷热工作台、真空系统、液氮系统、控制系统和测量系统六部分构成。工作腔体安装于机架上；冷热工作台在工作腔体内；真空系统在机架内部，数显式真空计使工作状态显示更加清晰；液氮系统位于机架后侧；控制系统和测量系统的按钮均布置在机架前部的控制面板之上，便于控制操作和观察；温度通过温度测量元件和温度控制仪表设定。

图2 设备主要机械结构示意图

3.2.1 工作腔体

工作腔体由上下两个半腔组成（见图3）。上半腔体由不锈钢焊接而成，光照窗口选用石英玻璃。石英玻璃材质具有杂质少、纯度高、强度大等特点，因此选用一块尺寸较大的石英玻璃做上照射窗口。经过特殊加工的石英玻璃表面平整强度高，当达到高真空时不会发生玻璃的变形或破损。用太阳光照模拟工作时，可使更多的光线通过石英玻璃照射到被测试工件的表面，同时光线通过玻璃时不会因其中含有的杂质过多而使光线的波长发生变化，使试验数据更加接近真实情况。

图3 工作腔体结构示意图

为方便电池装卸，上半腔体可以拆下。下半腔体完全由不锈钢焊接而成，主要用来安装冷热平台、电缆转接头、液氮管路和真空管路，是整个设备的基础。见图4、图5。

图4 上半腔体结构示意图

图5 下半腔体结构示意图

3.2.2 冷热工作台

图6 冷热工作台剖视图

图7 冷热工作台俯视图

冷热工作台由工作台、均温层、加热台和液氮罐组成。如图6、图7所示。工作台尺寸为200 mm×200 mm，采用冷热良导体铜材制成，其上表面铺设一层均温层。均温层为了使工作台的表面温度均匀而设置，采用碳纤维材料制作。加热台采用铜材制作，内部均匀埋设低电压加热丝（电压36 V）。最下方放置液氮罐，采用不锈钢焊接而成，内部添加导热条，可加快上表面温度变化速度和温度的均匀性。

3.2.3 控制系统

设备在整个控制过程中有很强的时序性逻辑性，所以采用了稳定可靠的可编程控制器进行顺序控制，通过触摸屏操作，使操作变得简单形象安全。设备具有手、自动操作功能。自动运行过程中可随时切换为手动。

加热控制采用日本导电的仪表控制，可以精确的设定十条加温曲线，从而控制加热台的升温。温度采用数显PID温控仪控制，控制简单，运行可靠。

对于此冷热工作台的加热，我们目前掌握低温的加热方式有5种：加热袋 ，加热板，电加热管，电感应加热，红外辐射加热。5种加热方式的对比见表1。

表1 加热方式对比

从表1中我们可以根据需要来选择不同的加热方式。对此设备我们选用了电加热管。

真空系统的泵、阀门等动作均可通过触屏上的操作按钮控制真空泵，各种阀采用PLC控制，方便灵活。

3.2.4 测量系统

温度系数测试仪配备一台数字源表和一台数字表，并提供一台计算机、数据采样单元和一套软件。此软件能够测试太阳能电池在垂直光照射条件下从-160℃至＋140℃任意温度下的光、电转换特性，即I-V曲线，同时记录温度并且数据存盘。I-V曲线为电池在光照条件下，从短路到开路的工作过程，主要数据包括：短路电流Isc、开路电压Voc、最大输出功率Pmax、最大输出功率点的电压Vm和电流Im、填充因子FF（FF=Pmax/Isc/Voc）。得到以上数据便能够计算出太阳能电池主要特性参数的温度系数：

短路电流Isc温度系数=△Isc/△T

开路电压Voc温度系数=△Voc/△T

最大输出功率Pmax温度系数=△Pmax/△T

填充因子FF温度系数=△FF/△T

在真空、高低温环境中可进行I-V曲线测试、数据的采集。

测试分为定点电压电流测试，曲线I-V测试，以及在不同温度下的多条曲线测试。

测试数据可存盘打印，存盘数据包括：

电池编号、短路电流Isc、开路电压Voc、曲线电压、曲线电流、最大输出功率Pmax、最大输出功率点的电压Vm和 Im、填充因子FF、短路电流温度系数、开路电压温度系数、最大输出功率温度系数、填充因子温度系数。

3.2.5 真空系统

为充分模拟真空环境中的条件同时避免在冷热状况交替时在工件表面产生水气，必须尽可能地降低真空度。因此选择了机械泵＋分子泵组成的泵组，这样就可以保证在短时间内使腔体内真空度达到0.1 Pa，同时达到净化腔体消除水气的目的。

3.2.6 液氮系统

采用自增压液氮罐自动为系统提供液氮，并可通过调节阀门的开启量简易控制降温速度。

4 结束语

目前，在国内外-160℃～＋140℃的温度系数测试仪尚属空白，很多太空用元器件都需要在模拟太空环境下测试并记录元器件的各个性能指标。温度系数测试仪为在高真空下采集、记录并测试元器件随温度大范围变化时各项电性能指标提供了一种便捷的手段。

[1]达道安.真空设计手册[M].北京：国防工业出版社，1991.

[2]孙恒，陈作模.机械原理（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.