利用电子传感器测量测试的方法

 利用电子传感器测量测试的方法

1. 温度是什么

    热是一种分子运动。物体越热,它的分子运动得越快,绝对零点的定义是,在这温度下一切分子运动都停止了。可是,我们既然不能看到分子在运动,我们怎样测量温度呢?美国全国标准和技术NIST所用的基本标准是根据理想气体定律,这定律表明,温度升高时,气体的压力或者体积必须按比例增加,此数字表示,P×V=KT,其中P=压力,V=体积,T=绝对温度,而K是个常数。在固定的体积中把分子速度加倍会使每秒钟的分子碰撞次数加倍,或者使压力加倍。在绝对零度下,理想气体会缩小到零体积和压力,图1说明固定体积的气体温度计,理想气体并不存在,不过氦接近理想气体,利用汞压力计用来测量气体和蒸汽的压力和可调节的容器来测量充满氦的玻璃球的气体压力。温度改变时,就调节容器中的柱塞,使压力计的左臂保持固定的高度,因而使氦保持固定的体积。右臂上方被抽成真空时,汞柱的温度就显示出气体的压力,因而也显示出氦的温度,原理很简单,可是要精确地测量就困难了。温度会影响玻璃球的体积,而连接管子和无玻璃球的温度并不相同,而且汞柱较小的变化和汞表面的弯月也限制了测量的准确度,比这些问题更重要的是,必须对氦与理想气体定律的偏离程度作出修正。因此,利用气体定律测量温度的方法主要是国家的标准实验,如NIST才使用。 

    2. 温标

    制造或者标准温度计的公司或实验室需要更实用的标准。因此,国际温标NIST就产生了,此前称为国标实用温标,以便与基本的气体定律温标加以区别,由一些国家标准实验室参与的国际会议经常对这温标加以检讨和修订。最新的修订是在1990年公布的,改为ITS-90。温标是从一系列获得公认的基本温度或者固定点开始的,与会的实验室同意指定某些高纯度材料的凝固点或者熔点。有时是三相点作为精确的温度数值。图2是典型的温度固定元件,盛载着高纯度金属的石墨坩锅被封存在石墨容器中,容器中还注入氩气或者一些其它惰性气体,表1列出几个温度的固定点,例如,银的凝固点被指定为开氏绝对温度1234.93度或者摄氏960.323度。水的三相点比其凝固点容易受到精确的控制,它被规定为273.16K或者0.01℃。三相点很像凝固点,只不过材料是封存在抽成真空的玻璃容器中。水所受到的只是它本身的蒸汽压而不是大气压。

    因为凝固点是受到空气压力和污染的影响,三相点是可以更容易地重复获得的。三相点是指材料是处于三相平衡,气相、液相和固相,要使温标有实效,可以在规定的固定点之间插入传感器。ITS-90规定几个这样的传感器负责测量温标的各部分,温标的中间是在氢的三相点和它的凝固点之间,其间插入高级的电阻温度计,称为标准的全电阻温度计SIRT、SPRT是用高纯度的白金导线精心制造烧制,而且以最少的支承物装配,因而不受拉紧。在三个或多个固定点把温度计标准后,就可以在这些温度之间使用这个温度计。温度计的R-T方柱是非常复杂的。必须利用电脑来处理。图3是封在Pvrex玻璃套中的SPRT。温标的最低端低至0.65K,是由氦气法定律测温法规定的,几个重叠的范围是由各自的复杂方柱和图表规定的,在温标的高端,水银的凝固点以上的温度则利用辐射测温法来规定,辐射测温法根据的原理就在于,红外或光辐射是随着温度的升高而增加的,旧式的IPTS也是利用白金合金制成的热电偶去温度规定温标的一部分,不过在1990年修订时已经被取消了。

    3. 商用传感器

    下面,我们来看看和比较一下商用的温度传感器：热电偶、电阻温度计、热敏电阻以及硅IC传感器。我们先开始迅速观察一下,表1比较了它们的特性,而图4是它们的工作范围和准确度。热电偶只不过是两根不同的金属连在一起。连接之后,它就会产生电动势,这电动势随着温度的升高而近似线性增加。热电偶的灵敏度,线性和温度范围是和所用的金属有关。多年来,已经有几种热电偶成为标准,在美国,NIST公布了八种热电偶,让字母代码来识别的毫伏～温度表。其中五种J、K、T、G和N是由碱金属合金制成,有不同的温度范围和用途,灵敏度一般是每摄氏度几十毫伏,其中三种R、S和B是用的金属白金制成的,当然这是常最昂贵的,是最稳定和可以重复的热电偶,最常用于高温工作的,不过灵敏度较低。有些厂商和经销商生产依照这些标准的热电偶导线和无指针。

    此外,有些厂商生产适合高温、低温和其它特别用途的特别热电偶。其中最常见的是钨合金热电偶,可以测量高达2015℃,即4260°F的温度。电阻或温度计会有细导线或者金属薄膜制成的线圈。大多数金属的电阻随着温度而变,不过白金或者镍最常用来制造电阻或温度计,通常,电阻式温度计比热电偶更为稳定、准确和灵敏,但只限于较低的温度,白金制的电阻式温度计是最稳定的、准确的。并且适用于最高的温度范围,综合的价格比较低,所以适合中等温度的工艺用途,不过,最近制造的金属薄膜元件的工艺进展已经抵消了镍的廉价优点,这种工艺类似金属膜电阻的原理,有时人们也使用其它金属,主要是铜和一种称为Balco的合金,大多数读者可能熟悉热敏电阻,它们和和热电阻无电阻式温度计不同,它们是高度敏感,非常非线性,只适用于有限的温度范围,热敏电阻也有正温度系数的类型,不过最适合温度的测量的是负温度系数PTC的器件,它的电阻随着温度的升高而减少,大约每度减少3％-5％的电阻,热敏电阻具有任何商用温度传感器的各种尺寸、外型、准确度和价格。温度传感器IC是适合大多数实验使用的最新和最容易的器件。它们是敏感和线性的,并且容易连接运算放大器和模数变换器,在缺点方面,这些IC并不像其它传感器那样标准化,经过精确地校准的IC是比较昂贵的,它们适用的温度范围大约和涂上环氧树脂的热敏电阻相同。

    4. 什么传感器最好

    这和温度,用途和准确度有关。在高温下,热电偶可能是唯一的选择。最准确的通常是白金电阻式温度计,不过精确的热敏电阻在接近室温下是更加准确的,由于热敏电阻是有高敏度,它最适合窄量程的用途,例如医疗用温度计。热敏电阻和IC很适合中等准确度的测量和温度补偿的用途。IC和电阻式温度计可供选择的封装比较少。在小尺寸和快速应用方面,玻璃球型热敏电阻的直径是从0.014寸至0.005寸,而绝缘的热电偶导线的直径可低至0.005寸,在较大的尺寸方面,圆形热敏电阻的直径可达1寸,热电偶导线的粗细可达14AWG或者更粗些,其绝缘物包括PVC至陶瓷、纤维或陶瓷珠。要测量表面温度可用带状热电偶或者直接得找到金属表面的热电偶导线,以下再逐一详细介绍这些器件。

    5. IC传感器

    处于正向偏压的硅二极管和基极一射极结点往往可用来测量温度,在室温下,正向偏压的结点大的降压0.7V,它是有大的-2mV／℃的负温度系数。确定的电压和温度系数是和结点的几何尺寸、电流密度和其它因素有关,精确的校准需要在已知温度下单独测量每个二极管或者晶体管,PN结的基本方程是I=IO(eqv／KT-1)其中q是电子的电量,K是物理常数,称为玻尔茨曼常数,T是绝对温度开氏温度是常数,基本上等于反向偏压的泄漏电流,在室温下,KT／q大约是26mV,在正常的正向偏压条件下,-1这项是微小和无关重要的,可以忽略不计,所以I=IOeqv／KT,于是I=I／Io=V,温度传感器IC的工作原理是根据两个基极--射极电压之间的差值,这时结点的电流保持固定的比率I2／I21,对这方程进行一点代数运算就可以得出电压差 ,中的电路利用这个电压差值产生的输出电压或电流是和温度成正比的,表3列举4个IC,AD590和AD592的表现相同,不过较新的AD592便宜,采用TO-92的封装外壳,适用于教室的温度范围,超出这范围,准确度较严格。National的LM34／LM35是三端器件,在0°F或0℃下输出为零,LM135／235／335却是类似于齐纳二极管的器件,其输出和绝对温度成正比。我们来去看看AD592／590、AD592和AD590是输出为1μA／K,在0°C时是272.5μA的两端点稳压器。制造商在5代时把这校准,保证它在4代至3代之间的工作,不过要注意,提高电压会增加功耗,并且引起轻微的测量误差,图5说明它们是简单线路中的用途,可以得出从0℃或者0°F的数字计伏特的温度读数。

    1μA／K的电流流过R1时,R1以1mV／0°C,1.000K或者1mV／0°F,1.8000K的灵敏度把电流值分为电压值,R1的两端电压是和绝地温度成正比,电阻R2、R3和R4提供的补偿等于R1和0℃或者0°F时的电压,这补偿是利用数字伏特计来调节的,要获得摄氏表的读数,必须把R3调到输出是273.2mV,华氏表的读数则应把输出调到459.7mV,如R1原来就是±0.01％,或者利用数字欧姆表进行微调,要达到IC规定的准确度并不需温度校准,如果想使用较低级的IC要轻松达到贝高的准确度。 

    可以把R1换成可调节的电阻。让这IC处于已知温度下,把数字伏特计跨越在R1上。而且调节R1到lmV／度的正确读数,建议把IC放人封闭的护套中,而且把它放人均匀搅体的冰和水中,并达到平衡,微调R1,使它两端电压在0℃时为273.2mV,或者在320F的为491.4mV为止,依照上述办法调节R3,AD593有儿级别的型号,从25℃时的±5℃, AD590J到±5℃,AD590M,AD592获得保证的25℃,准确度是从±2.5℃,AD592AN至±0.5℃,AD59ICN,AD590的封装有T0-52,晶体管外壳或者扁平封装,而AD592在出装时采用T0-92型封装,National的LM34／35系列是更容易使用,这种三端IC输出10mV／0F,LM34或者10mV／℃。要读出温度只需一个数字伏特计和一个电池或者电压源,从4V到30V之间的任何电压,图6把一个LM34或者LM35和一个高电压／频率变换器LM351结合起来而产生和温度成正比的频率,图示的元件数值产生的精度100的输出,在100°F或100℃的输出是10kHz,要把它校准,可以暂时拆下这个传感器,提供精确的1000V输入,并且调节R3全输出为10.00V,不需调零,如果要改进容限较松的IC的准确度,可以把IC放在接近等量高端的已知准确度温度,并且调节R3的在获得正确的输出。LM34／35需要是负偏压去追踪零度以下的温度,图7说明其基本原理,这IC由止电源线供电,不过原把人约50μA的偏流加在输出上。LM35适用的温度范围有-55至150℃,-40至110℃是LM35C,以及0至100℃的LM35D,而25℃时保证准确度是±1℃和±0.5℃是LM35A,LM135的华氏型号也有类似的级数。其封装有T0-46金属型和T0-92塑料型,表3中最后一行IC是National的LM135／235／335的系列。

    LM135的操作是一个类似于齐纳二极管两端点稳压器IC,类似于LM185的标准,它有第三个接线端供用户接上电,以便标准,偏流或者齐纳电流可以在400μA至50mA之间的任何数值,它的输出是l0mV／K。在0℃时是273V,和绝对温度成正比,不需用户校准的最严格25℃保证准确度是±1℃(LM135A和LM235A),而最松的是±6℃。LM335,LM135的额定温度范围是-55℃至150℃的连续范围内,LM235是-40至100℃,其封装有T0-46型金属和T0-92塑料型。

    6. 热敏电阻

    负温度系数的热敏电阻最适合测量温度,它是窄量程,高灵敏度和非线性的器件,它在25℃的电阻可从100Ω以下至1MΩ以上。它一般的灵敏度是-3％至-5％／℃。因此,其电阻的变化可以从每度几十欧姆到几万欧姆。制造负温度系数的热敏电阻要金属氧化物粉未,通常是氧化镍和氧化锰,有时还要加入其它东西混合制成。这些粉未以水与胶合剂制成为泥浆状,再压成需要的形状,圆片和圆柱型状等,然后干透,接着把干透的热敏电阻以1000℃以上的温度燃烧而形成耐火的类似陶瓷的结构。图8是常见的一些热敏电阻,测量温度最常用的是涂上环氧树脂的碟形热敏电阻,通常直径是在0.1寸以下,在较高温度下则使用类似大小而封上玻璃的碟形热敏电阻,有或没有封上玻璃的珠形热敏电阻具有较小的尺寸和快速反应。其尺寸从大约0.005寸到0.0005寸,在较大尺寸方面,在直径达1寸的柱形状,碟状和圆环状的热敏电阻有些制造商还生产热敏电阻传感器组件,包括从直条式指针至可以固定在晶体管外壳以及表面安装的组件。热敏电阻一向都是不太准确或者不稳定的,这是最便宜的器件的情况,在25℃时的一般电阻容限是在5％至20％之间,相当于准确度在1至5℃之间,在高温和低温之时,这容限会宽松一些。至少有三永公司YSZ,Fenwal和Thermomet-rics提供可更换的精确碟式热敏电阻涂上环氧树脂,适用的温度范围是从-80℃至150℃,在高低温两端的容限是大约1℃,它达到精确和稳定的办法是,在温度受到严格控制的热处理柜里把碟式电阻研磨到精确数值,以及通过老化测试和单独测试。

    25℃的电阻范围是从100Ω至1MΩ,不过有一个数值在25℃时的2252Ω成为在医疗和实验室温度计所用的类似标准,YSZ的400系列有各种探针类型,这种2252Ω器件在-80℃时是1.66MΩ,在150℃时是41.9Ω,这可以说明这种温度计是怎样灵敏。小玻璃式热敏电阻的制造就稍有不同,它是把两条适合高温的导线,一般是白金细线涂上一滴含有氧化物的泥团,经焙烧后浸入熔化的玻璃,结果产生的高温器件比徐上环氧树脂的碟式电阻一般更为稳定,但却不能调节,制造商通过单位测量试验供应适合精确用途的热敏电阻。