林 波，趙乃輝，趙子龍，鄒 森

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

溫度系數(shù)測試儀模擬了在太空真空環(huán)境溫度大范圍變化的環(huán)境中，采集記錄并測試工件的溫度系數(shù)變化情況。

目前，國內(nèi)外溫度變化范圍在-160℃～＋140℃的溫度系數(shù)測試儀尚屬空白，該技術(shù)能夠提供在高真空環(huán)境中溫度從-160℃到＋140℃的轉(zhuǎn)換環(huán)境。其優(yōu)點是抽氣速度快，能夠在20 min內(nèi)達到0.1 Pa以下并保持工作真空＜0.1 Pa。在-160℃～＋140℃整個溫度范圍內(nèi)工件表面不會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。工件溫度在＋10℃～＋140℃之間升溫速度連續(xù)可調(diào)，并可停留在其間任意溫度進行測試，測溫精度可達±0.2℃。

目前我國航空航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，很多器件都需要做模擬太空溫度環(huán)境變化的試驗。該設(shè)備填補了國內(nèi)在環(huán)境試驗方面的一個空白，為模擬太空中真空環(huán)境及大范圍的溫度變化情況提供了一種新的實驗環(huán)境。

1 控制流程圖

實際生產(chǎn)中溫度系數(shù)測試儀的工藝流程，如圖1所示。

2 設(shè)備主要技術(shù)指標

工作腔體尺寸：φ320 mm×400 mm

工作臺尺寸：200 mm×200 mm

工作真空：0.1 Pa

工作溫度：-160℃～＋140℃

抽氣速度：20 min內(nèi)達0.1 Pa

壓 升 率：2 Pa/h

溫度測試精度：±0.2℃

工件溫度在＋10℃～＋140℃之間升溫速度連續(xù)可調(diào)，并可停留在其間任意溫度，溫度在-160℃～＋10℃之間靠液氮制冷降溫，降溫速度不可精確調(diào)節(jié)，只能通過液氮的流量簡易控制。

圖1 溫度系數(shù)測試工藝流程

3 設(shè)備工作原理及主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 溫度系數(shù)測試儀主要工作原理

通過真空泵使工作腔體內(nèi)的真空度達到所需要求，而模擬太空中無大氣的環(huán)境。將電池放置在冷熱工作臺上并與測量導(dǎo)線接通，通過灌入液氮和加熱板來得到-160℃～＋140℃之間溫度。經(jīng)過太陽能照射儀的照射就可從計算機中得到所需太陽能電池的主要特性參數(shù)的溫度系數(shù)。

3.2 溫度系數(shù)測試儀主要結(jié)構(gòu)

設(shè)備的主要機械結(jié)構(gòu)見圖2

溫度系數(shù)測試儀主要由工作腔體、冷熱工作臺、真空系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)六部分構(gòu)成。工作腔體安裝于機架上；冷熱工作臺在工作腔體內(nèi)；真空系統(tǒng)在機架內(nèi)部，數(shù)顯式真空計使工作狀態(tài)顯示更加清晰；液氮系統(tǒng)位于機架后側(cè)；控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)的按鈕均布置在機架前部的控制面板之上，便于控制操作和觀察；溫度通過溫度測量元件和溫度控制儀表設(shè)定。

圖2 設(shè)備主要機械結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 工作腔體

工作腔體由上下兩個半腔組成（見圖3）。上半腔體由不銹鋼焊接而成，光照窗口選用石英玻璃。石英玻璃材質(zhì)具有雜質(zhì)少、純度高、強度大等特點，因此選用一塊尺寸較大的石英玻璃做上照射窗口。經(jīng)過特殊加工的石英玻璃表面平整強度高，當達到高真空時不會發(fā)生玻璃的變形或破損。用太陽光照模擬工作時，可使更多的光線通過石英玻璃照射到被測試工件的表面，同時光線通過玻璃時不會因其中含有的雜質(zhì)過多而使光線的波長發(fā)生變化，使試驗數(shù)據(jù)更加接近真實情況。

圖3 工作腔體結(jié)構(gòu)示意圖

為方便電池裝卸，上半腔體可以拆下。下半腔體完全由不銹鋼焊接而成，主要用來安裝冷熱平臺、電纜轉(zhuǎn)接頭、液氮管路和真空管路，是整個設(shè)備的基礎(chǔ)。見圖4、圖5。

圖4 上半腔體結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 下半腔體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 冷熱工作臺

圖6 冷熱工作臺剖視圖

圖7 冷熱工作臺俯視圖

冷熱工作臺由工作臺、均溫層、加熱臺和液氮罐組成。如圖6、圖7所示。工作臺尺寸為200 mm×200 mm，采用冷熱良導(dǎo)體銅材制成，其上表面鋪設(shè)一層均溫層。均溫層為了使工作臺的表面溫度均勻而設(shè)置，采用碳纖維材料制作。加熱臺采用銅材制作，內(nèi)部均勻埋設(shè)低電壓加熱絲（電壓36 V）。最下方放置液氮罐，采用不銹鋼焊接而成，內(nèi)部添加導(dǎo)熱條，可加快上表面溫度變化速度和溫度的均勻性。

3.2.3 控制系統(tǒng)

設(shè)備在整個控制過程中有很強的時序性邏輯性，所以采用了穩(wěn)定可靠的可編程控制器進行順序控制，通過觸摸屏操作，使操作變得簡單形象安全。設(shè)備具有手、自動操作功能。自動運行過程中可隨時切換為手動。

加熱控制采用日本導(dǎo)電的儀表控制，可以精確的設(shè)定十條加溫曲線，從而控制加熱臺的升溫。溫度采用數(shù)顯PID溫控儀控制，控制簡單，運行可靠。

對于此冷熱工作臺的加熱，我們目前掌握低溫的加熱方式有5種：加熱袋 ，加熱板，電加熱管，電感應(yīng)加熱，紅外輻射加熱。5種加熱方式的對比見表1。

表1 加熱方式對比

從表1中我們可以根據(jù)需要來選擇不同的加熱方式。對此設(shè)備我們選用了電加熱管。

真空系統(tǒng)的泵、閥門等動作均可通過觸屏上的操作按鈕控制真空泵，各種閥采用PLC控制，方便靈活。

3.2.4 測量系統(tǒng)

溫度系數(shù)測試儀配備一臺數(shù)字源表和一臺數(shù)字表，并提供一臺計算機、數(shù)據(jù)采樣單元和一套軟件。此軟件能夠測試太陽能電池在垂直光照射條件下從-160℃至＋140℃任意溫度下的光、電轉(zhuǎn)換特性，即I-V曲線，同時記錄溫度并且數(shù)據(jù)存盤。I-V曲線為電池在光照條件下，從短路到開路的工作過程，主要數(shù)據(jù)包括：短路電流Isc、開路電壓Voc、最大輸出功率Pmax、最大輸出功率點的電壓Vm和電流Im、填充因子FF（FF=Pmax/Isc/Voc）。得到以上數(shù)據(jù)便能夠計算出太陽能電池主要特性參數(shù)的溫度系數(shù)：

短路電流Isc溫度系數(shù)=△Isc/△T

開路電壓Voc溫度系數(shù)=△Voc/△T

最大輸出功率Pmax溫度系數(shù)=△Pmax/△T

填充因子FF溫度系數(shù)=△FF/△T

在真空、高低溫環(huán)境中可進行I-V曲線測試、數(shù)據(jù)的采集。

測試分為定點電壓電流測試，曲線I-V測試，以及在不同溫度下的多條曲線測試。

測試數(shù)據(jù)可存盤打印，存盤數(shù)據(jù)包括：

電池編號、短路電流Isc、開路電壓Voc、曲線電壓、曲線電流、最大輸出功率Pmax、最大輸出功率點的電壓Vm和 Im、填充因子FF、短路電流溫度系數(shù)、開路電壓溫度系數(shù)、最大輸出功率溫度系數(shù)、填充因子溫度系數(shù)。

3.2.5 真空系統(tǒng)

為充分模擬真空環(huán)境中的條件同時避免在冷熱狀況交替時在工件表面產(chǎn)生水氣，必須盡可能地降低真空度。因此選擇了機械泵＋分子泵組成的泵組，這樣就可以保證在短時間內(nèi)使腔體內(nèi)真空度達到0.1 Pa，同時達到凈化腔體消除水氣的目的。

3.2.6 液氮系統(tǒng)

采用自增壓液氮罐自動為系統(tǒng)提供液氮，并可通過調(diào)節(jié)閥門的開啟量簡易控制降溫速度。

4 結(jié)束語

目前，在國內(nèi)外-160℃～＋140℃的溫度系數(shù)測試儀尚屬空白，很多太空用元器件都需要在模擬太空環(huán)境下測試并記錄元器件的各個性能指標。溫度系數(shù)測試儀為在高真空下采集、記錄并測試元器件隨溫度大范圍變化時各項電性能指標提供了一種便捷的手段。

[1]達道安.真空設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[2]孫恒，陳作模.機械原理（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.